Date post: | 05-Jul-2016 |
Category: |
Documents |
Upload: | deonardo-hermawan |
View: | 56 times |
Download: | 2 times |
TK-2202 PERPINDAHAN KALOR
LAPORAN PERANCANGAN
HEAT EXCHANGER
06/05/2013 AS Issued for Internal Review JN DH TPA/AI
TANGGAL DISIAPKAN
OLEH PENJELASAN CHECK APPR. AZA / HD
AIR COOLED HEAT EXCHANGER
Agnes Huberta 13011069
Deonardo Hermawan 13011072
Andrew Stefanus 13011075
Joanna Nadia 13011081
Lydia Ignacia 13011096
LAPORAN 41 halaman
Air-Cooled Heat Exchanger
2 dari 41
Daftar Isi
1 PENDAHULUAN 3
1.1 DESKRIPSI PROSES 3
1.2 PROCESS FLOW DIAGRAM PADA PROSES PENUKARAN PANAS 3
1.3 PROFIL PABRIK 3
2 DATA PERANCANGAN EXCHANGER 4
2.1 FLUIDA PROSES 4
2.1.1 DESKRIPSI SINGKAT 4
2.1.2 KOMPOSISI DAN PROPERTI FLUIDA PROSES 4
2.1.3 KONDISI ALIRAN FLUIDA PROSES 5
2.2 SERVICE FLUID 5
2.2.1 PERTIMBANGAN DASAR PEMILIHAN SERVICE FLUID 5
2.2.2 KOMPOSISI DAN PROPERTI SERVICE FLUID 5
2.2.3 KONDISI ALIRAN SERVICE FLUID 5
3 METODOLOGI PERANCANGAN 6
3.1 ASUMSI-ASUMSI YANG DIGUNAKAN 6
3.2 TAHAPAN-TAHAPAN PERANCANGAN 7
3.3 HEAT EXCHANGER YANG DIGUNAKAN 11
3.4 PERTIMBANGAN DASAR PEMILIHAN JENIS HEAT EXCHANGER 11
4 HASIL PERANCANGAN 12
4.1 HASIL 12
4.2 SKETSA HEAT EXCHANGER 12
4.3 TEMA SHEET AIR COOLED HEAT EXCHANGER 15
5 ANALISIS 16
5.1 ANALISIS KELOGISAN PERANCANGAN 16
5.2 PARAMETER OPERASI PROSES HASIL PERANCANGAN 16
6 KESIMPULAN 17
7 REFERENSI 17
APPENDIX A – DATA FISIK ALIRAN 188
APPENDIX B – PENJELASAN METODOLOGI 189
APPENDIX C – CONTOH PERHITUNGAN 30
APPENDIX D – PENENTUAN SIFAT GAS FLUIDA PROSES 35
APPENDIX E – PENENTUAN TITIK EMBUN AIR PADA TEKANAN OPERASI 36
APPENDIX F – HASIL PERHITUNGAN PERANCANGAN 37
18
19
Air-Cooled Heat Exchanger
3 dari 41
1 PENDAHULUAN
1.1 Deskripsi Proses
Air cooled heat exchanger (ACHE) digunakan untuk mendinginkan gas proses berupa
gas alam pada pabrik produsen 2-etilheksanol (2-EH). Gas proses dalam keadaan panas yang
telah masuk reformer akan melalui waste heat boiler (WHB) untuk membangkitkan saturated
steam sehingga temperaturnya turun menjadi sekitar 240°C. Lalu panas gas proses digunakan
untuk menyuplai panas ke dalam sistem boiler feed water preheater, dan suhunya turun menjadi
140°C. Gas proses dengan temperatur 140°C kemudian memasuki air cooled heat exchanger
berupa air cooler. Air cooler yang digunakan untuk mendinginkan gas proses menggunakan
service fluid berupa udara dengan temperatur 33°C. Pendinginan yang terjadi sepanjang tube
akibat adanya aliran udara dingin dari kipas air cooler akan mendinginkan gas proses hingga
70°C.
1.2 Process Flow Diagram Pada Proses Penukaran Panas
Air Cooled
Heat Exchanger
H2
F3 = 3479.626074 lbm/h
T3 = 33oC
P3 = 8,63 bar
H2
F4 = 3479.626074 lbm/h
T4 = 40 oC
P4 = 8,63 bar
Udara
F1 = 511028.4216 lbm/h
79% mol N2
21% mol O2
T1 = 33oC
P1 = 1 bar
Udara
F2 = 511028.4216 lbm/h
79% mol N2
21% mol O2
T = 40oC
P = 1 bar
Gambar 1.2-1 PFD Air Cooled Heat Exchanger
1.3 Profil Pabrik
PT. Petro Oxo Nusantara yang terletak di kota Gresik adalah perusahaan yang
memproduksi 2-etilheksanol dengan produk sampingan isobutanol dan n-butanol. Pabrik tersebut
dibagi menjadi 2 bagian, yakni bagian syn gas dan bagian oktanol yang di dalamnya terdapat air
Air-Cooled Heat Exchanger
4 dari 41
cooled heat exchanger. Hasil produksi 2-etilheksanol PT. PON pada tahun 2010 sebanyak
134000 ton/tahun dan mengalami peningkatan pada tahun 2011 menjadi 145000 ton/tahun.
Namun, untuk produk samping (terutama n-butanol) tidak begitu ditargetkan kapasitas
produksinya.
2 Data Perancangan Exchanger
2.1 Fluida Proses
2.1.1 Deskripsi Singkat
Fluida proses yang digunakan merupakan flue gas hasil pengolahan gas alam menjadi
gas proses yang terdiri atas hidrogen, karbon dioksida, dan karbon monoksida. Gas alam yang
digunakan terdiri atas hidrokarbon, hidrogen, karbon dioksida, karbon monoksida, dan sulfur.
Sebelum masuk ke air cooler, gas alam akan mengalami proses hidrogenasi, dua kali adsorbsi
sulfur, pre-reformer, tubular reformer, dan boiler feed water pre-treatment sehingga senyawa
yang tersisa pada flue gas adalah gas hidrogen, karbon dioksida, karbon monoksida, dan steam.
Komposisi karbon dioksida dan karbon monoksida dalam fluida proses sangat kecil sehingga
dapat diabaikan. Steam dapat memengaruhi perancangan heat exchanger apabila mengalami
perubahan fasa walaupun kompisisinya sangat kecil (1%). Pada kondisi operasi, titik embun (dew
point) steam tidak termasuk dalam range temperatur fluida proses, yaitu 140oC hingga 70oC
sehingga tidak terjadi proses pengembunan. Perhitungan nilai dew point dapat dilihat pada
Appendix D.
2.1.2 Komposisi dan Properti Fluida Proses
Tabel 2.1.2-1 Properti dari H2
Sumber: http://encyclopedia.airliquide.com
Tabel 2.1.2-2
T (°C) P (bar) Cp (kJ/kg.K) H (kJ/kg) μ (Pa.s) ρ (kg/m3) k (W/m.K)
70 8,63 14,865 4872,6 0,0000096 0,6144 0,2008
140 8,63 14,653 5979,9 0,00000109 0,4951 0,2318
1. Berat molekul 2,02 kg/kmol
2. Kerapatan 53,22 kg/m3
3. Tekanan kritik 12.98 bar
4. Temperatur kritik -240 °C
Air-Cooled Heat Exchanger
5 dari 41
Sumber: Lide, David R.2003. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th Edition. CRC
Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL . P6-16.
2.1.3 Kondisi Aliran Fluida Proses
Laju alir gas proses : 13700 Nm3/hr
Tekanan : 8,63 bar
Suhu umpan : 140oC
2.2 Service Fluid
2.2.1 Pertimbangan Dasar Pemilihan Service Fluid
Fluida servis yang digunakan pada perancangan air cooled heat exchanger ini adalah
udara karena cukup praktis dan ekonomis untuk menurunkan temperatur fluida proses 140oC.
Praktis dan ekonomis pada konteks ini adalah tidak diperlukan utilitas untuk mensuplai fluida
servis, baik dalam hal pre-treatment maupun ketersediaan.
2.2.2 Komposisi dan Properti Service Fluid
Tabel 2.2.2-1 Properti dari Udara
Sumber: http://www.peacesoftware.de/einigewerte/calc_luft.php5
Tabel 2.2.2-2 Data Fisik Udara pada Temperatur Operasi Service Fluid
T (°C) P (bar) Cp (kJ/kg.K) H (kJ/kg) μ (Pa.s) ρ (kg/m3) k (W/m.K)
33 1 1,0048 306,2 0,000018447 1,1871 0,026
40 1 1,0051 313.72 0,0000191 1,1296 0,0272
Sumber: Geankoplis, Christie John. 2003.Transport Processes and Separation Process
Principles (Include Unit Operation) Fourth Edition. New Jersey: Pearson Education, Inc.
2.2.3 Kondisi Aliran Service Fluid
Laju alir udara : 511.028,4216 lbm/h
Tekanan udara : 1 bar
Temperatur masukan udara : 33oC
Temperatur keluaran udara : 40oC
1. Berat molekul 28,84 kg/kmol
2. Prandtl-Number
0.71224(33oC)
0.713108(40oC)
Air-Cooled Heat Exchanger
6 dari 41
3 METODOLOGI PERANCANGAN
3.1 Asumsi-Asumsi yang Digunakan Tabel 3.1-1 Asumsi-asumsi yang Digunakan dalam Perancangan Air Cooled Heat Exchanger
No. Proses Asumsi
1. Penentuan temperatur fluida
servis
Pertukaran panas antara fluida servis dan proses
berlangsung secara adiabatik
Temperatur masukan fluida servis sebesar 33oC
(sesuai dengan temperatur udara rata-rata pada
saat cuaca panas di Indonesia)
Temperatur keluaran fluida servis sebesar 40oC
karena keluaran fluida servis akan dibuang ke
lingkungan dan temperatur ini juga masih dapat
ditolerir oleh tubuh manusia
2. Penentuan komposisi fluida
proses
Fluida proses dalam perhitungan ini diasumsikan
terdiri dari 100% H2 karena komposisi H2 pada flue
gas sangat besar, yakni mencapai 73,87%
3. Penentuan sifat fluida proses Fluida proses dianggap mengikuti sifat-sifat gas
ideal (perhitungan termodinamika terlampir pada
Appendix C)
4. Penentuan jumlah tube Properti fluida proses dievaluasi pada 105oC yang
merupakan rata-rata dari temperatur masuk (140oC)
dan temperatur keluar (70oC)
Properti fluida servis dievaluasi pada 36,5oC yang
merupakan rata-rata dari temperatur masuk (33oC)
dan temperatur keluar (40oC)
5. Penentuan diameter tube 1 in, 16 BWG (ukuran yang umum digunakan)
6. Penentuan dimensi fin 10 fin/in, tinggi 0,625in, dan tebal 0,035 in
7. Penentuan kerja fan dan motor Efisiensi fan pada umumnya adalah 75%,
sedangkan efisiensi motor pada umumnya adalah
88%
Air-Cooled Heat Exchanger
7 dari 41
3.2 Tahapan-Tahapan Perancangan
(2.) Identifikasi Masalah
(3.) Studi Literatur
(5.) Data mencukupi?
Tidak
Ya
(7.) Menghitung Y dan Z
Y = (Tco-Tci)/(Thi-Tci)
Z = (Thi-Tho)/(Tco-Tci)
(8.) Cari faktor koreksi (FT) melalui grafik (Ref.
: Geankoplis 4th, Fig.4.9-4 p.295))
(6.) Hitung ΔTlmΔTlm = [(Thi-Tco)-(Tho-Tci)]/[ln((Thi-Tco)/(Tho-
Tci))]
(9.) Hitung ΔTmΔTm = FT . ΔTlm
(12.) Menghitung luas perpindahan panas total
(A) (Trial and error)
A*= Q / (Uo.ΔTm)
(10.) Hitung perpindahan panas (Q) pada
bagian Tube
Q = m . Cp .ΔT
(Ref. Geankoplis 4th p.252)
(11.) Mengasumsikan nilai koefisien
perpindahan panas keseluruhan (Ud)
(13.) Menghitung Luas Bundel (Ab) (Trial and
Error)
Ab = ṁ(air) / ρ(std) . Vb
(15.) Menghitung Rasio Luas perpindahan
total dengan Bundel (A*/Ab) untuk
menentukan jumlah baris tube dari Tabel
(Ref. RW p.634, table 12.1)
(16.) Evaluasi Ab dengan nilai perbandingan
A*/Ab yang didapat dari tabel di atas.
(17.) Menentukan panjang dan lebar bundel
(18.) Menentukan panjang dan lebar bundel
Ref. RW p.646 asumsi L = 3W
Ab = W.L = 3.W^2
(19.) Menentukan jumlah Tube (nt) yang
digunakan
nt = (A*) / [(Atotal/L) . L]
(Ref. RW p.647)
(20.) Mengevaluasi nilai W
W = tube pitch . (nt/row) + side clearances
(14.) Tebak Vb
(21.) Mengevaluasi nilai Ab
Ab = L . W
(22.) Mengavaluasi nilai Vb
Vb = ṁ / (ρStd . Ab)
Start
(4.)
1. Data fisik pada setiap aliran
2. Laju aliran fluida proses
3. Tekanan aliran
4. Tin dan Tout
ΔTlm
Air-Cooled Heat Exchanger
8 dari 41
(23.) Menentukan kecepatan fluida proses
Vfp = [ṁ(np/nt)]/[ρ.π. Di^2 . 0.25]
Menentukan hi
(24.) Menentukan bilangan reynold fluida
proses
Re = [4.ṁ. (np/nt)]/[Di.Π.μ]
(25.) Turbulen?
(26.) Menentukan koefisien perpindahan
panas yang diperlukan (required)
Ureq = Q/[A*.FT.(ΔTln)]
Ya
(27.) Ud >
Ureq?
(28.) Menentukan hi
hi = (k.Di).0,023.(Re^0,8).(Pr^(1/3)).(μ/
μw)^0,14
Ya
(29.) Menentukan kecepatan fluida service
vb(av.) = vb(std) . (ρstd/ρav)
vmax = PT.vb(av) / (PT-Dr-2.nf.b)
Menentukan ho
(30.) Menentukan bilangan reynold fluida
service
Re = Dr.vmax.ρ/ μ
(31.) Menentukan ho
ho = (k/Dr). 0,38.(Re^0,6).(Pr^1/3).(Atot/Ao)^(-
0,15)
(32.) Menentukan
k,r1,r2,r2c,Ѱ,m,ᶯf,Afins,Aprime
(Lihat bagian lampiran untuk perhitungan)
Menentukan Efisiensi Fin
(33.) Menentukan Efisiensi Fin (ᶯ w)
ᶯ w = (Aprime/Atot) + ᶯ f.(Afin/Atot)
(34.) Menentukan koefisien perpindahan
panas (U)
Uc = [(Atot/Ai)/hi + (Atot/L)ln(Dr/Di)/
(2.ktube.Π) + 1/(ᶯ w.ho)]^-1
(35.) Uc>Ureq
Ya
(36.) Menentukan Faktor Fouling
RD = RDi.(Atot/Ai) + RDo / ᶯ w
(37.) Menentukan keseluruhan koefisien
desain
UD = (1/Uc + RD)^-1
(38.) Evaluasi Over surface dan Over Design
Over surface = Uc/Ureq -1
Over design = UD/Ureq -1
Tidak
Tidak
Tidak
RD
UD
vmax
Re
Air-Cooled Heat Exchanger
9 dari 41
(39.) Menentukan Pressure Drop
(51.) Menentukan Df,a,l
Df = Dr + 2b
a = (PT-Df)/Dr
l = 1/nf – Ƭ
Ref. RW p.650-651
Tube Side Air Side
(52.) Menentukan Re.eff
Re.eff = Re(l/b)
Ref. RW p.651
(53.) Menentukan f
f = [1+(2e^(-a/4))/(1+a)] . [0.021+27,2/Re.eff +
0,29/Re.eff^0,2]
(54.) Menentukan G
G = ρ. Vmax
(55.) Menentukan ΔPf
ΔPf = 9,22 . 10^-10 . f . Nr . G^2 / ρ
(56.) Menentukan ΔPoΔpo = ΔPf . 1,1
(40.) Hitung G ,S
(41.) Hitung Re
(42.)
Re>=3000
Ya (turbulen)
(43.) f=0,4137 Re^-
(0,2585)
(44.) f=64/ReTidak (Laminer)
(45.) ΔPf=(f.np.L.G^2)/
(7,5.10^12.Di.S.Ø)
(46.) ΔPr=1,334.10^-13.αr.G^2/S
(47.) Hitung Gn, Rln
(bantuan appendix tabel B.2
hlm 720-725)
(48.) Rln>=100
Ya(laminer)
(49.) ΔPn=4.10^-
13.Ns.Gn^2/s
(50.) ΔPn=2.10^-
13.Ns.Gn^2/s
Tidak
(turbulen)
(50.) ΔPi=ΔPf+ΔPr+ΔPn
Air-Cooled Heat Exchanger
10 dari 41
(57.) Menghitung luas fan yang dibutuhkan
(A fan) dengan syarat A fan ≥ 0,4 A face
(Ref. RW p.651)
(58.) Menentukan diameter fan
(D fan) dan jumlah fan sesuai A fan
(59.) Menghitung laju alir volumetrik udara
tiap fan (V vol)
V vol = ṁ udara/(jumlah fan x ρ udara)
(Ref. RW p.651)
(60.)Menghitung FSP udara yang dipakai
FSP = jumlah ∆P air side + {[(αρV^2)ex]/[2gc]} +{[(αρV^2)fr]/[2gc]}(Ref. RW p.642)
(62.)Menghitung turun tekan total fan
((∆Ptotal)fan)
((∆Ptotal)fan) = FSP +[(αρV^2)fr]/[2gc](Ref. RW p.641)
(61.) Menghitung laju alir pada fan ring (V fr)
V fr = V vol/A fr
(Ref. RW p.652)
(63.) Menghitung kerja fan
diperlukan (W fan)
Satuan Watt
(65.) W fan = [(∆Ptotal)fan] x V vol/(μ fan)(Ref. RW p.642)
(64.) W fan = [(∆Ptotal)fan] x V vol/(6342 x
μ fan)(Ref. RW p.642)
satuan hp
(66.) Menghitung kerja motor diperlukan (W
motor)
W motor = W fan/(μ sr)(Ref. RW p.642)
(67.) Menentukan daya motor sesuai dengan
yang tersedia pada appendix12.B
(Ref. RW p.675)
(68.) End
Gambar 3.2-1 Tahap-tahap Perancangan
Air Cooled Heat Exchanger
Air-Cooled Heat Exchanger
11 dari 41
3.3 Heat Exchanger yang Digunakan Heat Exchanger yang digunakan adalah jenis air cooled heat exchanger, yaitu alat
penukar panas dengan udara sebagai fluida servisnya. Tipe air cooled heat exchanger ini adalah
induced draft horizontal. Udara dialirkan dengan menggunakan kipas (fan) dengan jumlah dan
ukuran yang dipertimbangkan. Fluida proses dialirkan pada tube-tube dengan jumlah yang
tertentu dalam sebuah bundle.
3.4 Pertimbangan Dasar Pemilihan Jenis Heat Exchanger Pemilihan air cooled heat exchanger tipe induced draft horizontal didasarkan pada
beberapa pertimbangan, yaitu:
1. Distribusi udara antar-bundle lebih merata.
2. Kemungkinan untuk resirkulasi udara panas lebih kecil dibanding jenis forced draft.
3. Temperatur keluaran fluida servis di bawah 220oF.
4. Proses kontrolnya lebih baik karena plenum-nya menjangkau 60% area dari bundle dan
melindunginya dari paparan hujan serta sinar matahari.
5. Fluida proses mungkin mengalami perubahan fasa, namun perubahan tersebut dapat diabaikan karena sangat kecil.
Jenis material yang digunakan pada tube dari air cooled heat exchanger ini adalah
carbon steel. Pemilihan carbon steel sendiri disebabkan beberapa alasan. Pertama, carbon steel
sendiri memiliki titik leleh 1425oC -1540 oC. Suhu inlet dan outlet dari air cooled heat exchanger
ini tidaklah terlalu besar dengan rentangnya berkisaran dari 70 oC -140 oC, sehingga carbon steel
tidak akan mengalami perubahan fisis ketika menggunakan fluida pada range suhu tersebut.
Alasan yang kedua adalah faktor kekakuan (stiffness) yang tinggi serta dapat divariasikan
kadarnya. Faktor pemilihan carbon steel yang terakhir adalah harganya yang relatif murah jika
dibandingkan dengan material lainnya. Selain itu, carbon steel cukup tahan terhadap korosi.
Tabel 3.4-1 Perbandingan Harga
Berbagai Material Heat Exchanger
(Sumber: Coulson and Richardson.
2005. Chemical Engineering Design. UK:
Elsevier.)
Air-Cooled Heat Exchanger
12 dari 41
4 Hasil Perancangan
4.1 Hasil Tabel 4.1-1. Hasil Perancangan Air Cooled Heat Exchanger
No. Parameter Nilai Satuan
1. Luas Perpindahan Panas 10265,67346 ft2
2. Dekik Perpindahan Panas
(Pintch) 30 oC
3. Koefisien Perpindahan Panas
Keseluruhan (U) 1,550433272 Btu/h.ft2.oF
4. Pressure drop Air Cooled Heat
Exchanger 0,454293972 In.H2O
5. Daya motor 7,391515599 hp
Dimensi Alat Penukar Panas
1. W 1,988474536 m
2 L 6,096 m
4.2 Sketsa Heat Exchanger
Gambar 4.2-1 Penampang Luar ACHE
Air-Cooled Heat Exchanger
13 dari 41
Gambar 4.2-2 Penampang Dalam ACHE
Gambar 4.2-3 Penampang Atas HE
Air-Cooled Heat Exchanger
15 dari 41
4.3 TEMA Sheet Air Cooled Heat Exchanger
DESIGN MATERIAL CONSTRUCTION
Design Pressure (S/P): 9,5/1,1 bar Tubes/Bundles 96 Tube Mat C-steel
Test Pressure - Tube Rows 3 Fin Mat Aluminium
Design Temp (S/P) 104/284oF Tube Passes 1 Header Mat C-steel
Design Wind Load 824 ft/min OD x Length(ft) 0,083 x 0,0275 Gasket Mat C-steel
Bundle Dim(ft) 20 x 6,67 Tube wall thicks(ft) 0,018 Plug Mat
Bundles/bay 1(2) Tube Pitch(ft) 0,208 Specifications
Bundles: 1 for 1 set Fin type G -type
Bays: 1 for 1 set Fins/Inch 10
Bundles Slope - Fin Height(in) 0,625 Nozzle NO Size Rating
Corrosion Allow 0,08”-0,16“ Fin Thicks(in) 0,0035 Inlet 40 5”
Structure Fin Des Temp 660oC Outlet 40 5”
Piperack C-C
Code Req (ASME) Vent
Ladder & Walkway Code Stamp Drain
Point Press GA
Tubes/Pass 1st (96) 2nd - 3rd - 4th - 5th - Temp GA
6th - 7th - 8th - 9th - 10th -
MECHANICAL EQUIPMENT
Fan Mfr optional Driver Mfr optional Reducer Mfr
Model Axial-flow fan Type Electric Motor Type
Hp/Fan 6,5 hp RPM 600 HP/Driver 7,39
RPM 2150 Model
No/Bay 1 Din (ft) 8,3 Ratio
No Blades 3 Angle 1200
Support
Pitch
Blade Mat Aluminium
Tip Speed
CONTROLS
Air Recirculation
Louvers
Control Action on Air Failure - Fan Pitch (Min)(Max)(Lock-Up):Louvers (Min)(Max)(Lock-Up)
Actuator Air (Auto) (Var)Fan Louvers Steam Coil
Signal From To From To From To
Supply
Steam Coil No Tubes Tube Mat
Steam Otv OD x Length Fin Mat
Design pressure Thickness Weight
Test Pressure Fin/mm
Design Temp Fin Height Nozzle NO Size Rating
Inlet Pressure Code Req (ASME) Inlet
Corrotion Allow Code stamp Outlet Gambar 4.3-1 TEMA Sheet Air Cooled Heat Exchanger
Air-Cooled Heat Exchanger
16 dari 41
5 ANALISIS
5.1 Analisis Kelogisan Perancangan Air Cooled Heat Exchanger (ACHE) yang dirancang memiliki dimensi 6,67 ft (lebar) x
20,00 ft (panjang). Lebar dan panjang ini masih memenuhi kriteria ACHE, di mana batasan
umum lebar dan panjang ACHE berturut-turut sebesar 16 ft dan 60 ft. Dimensi ACHE yang
dirancang cukup logis untuk menurunkan temperatur fluida proses sebesar 70oC. Proses
dilangsungkan pada 8,63 bar dan temperatur fluida proses masuk 140oC. Tekanan 8,63 bar
cukup logis untuk membuat fluida proses tidak bervolume terlalu besar sehingga dimensi ACHE
yang diperlukan tidak terlalu besar.
Parameter-parameter fan yang digunakan dapat digunakan untuk memperkirakan apakah
noise yang ditimbulkan masih dalam batas aman. Parameter-parameter tersebut mencakup laju
alir volumetrik udara, tekanan statis fan/FSP, densitas udara, dan diameter fan. Laju alir
volumetrik udara yang digunakan pada ACHE ini sebesar 54,272 m3/s, FSP sebesar 0,489 in
H2O, densitas udara sebesar 1,1864 kg/m3, dan diameter fan sebesar 8,24 ft. Nilai parameter-
parameter fan ini, kecuali densitas udara, masih di bawah batas parameter-parameter fan yang
diizinkan agar noise yang timbul masih dalam batas aman. Batas maksimum parameter-
parameter fan yang diizinkan untuk laju alir volumetrik udara, FSP, densitas udara, dan diameter
fan berturut-turut adalah sebesar 72,53 m3/s; 0,52 in H2O; 1,157 kg/m3; dan 13,0 ft. Meskipun
densitas udara melewati batas maksimum yang diizinkan, parameter yang lain cukup jauh di
bawah batas maksimum sehingga diperkirakan noise yang timbul masih dalam batas aman.
Nilai koefisien perpndahan panas yang dibutuhan dalam perancangan air-cooled heat
exchanger adalah 1,265 Btu/h.ft2.oF. Setelah dilakukan perhitungan, didapat nilai koefisien
perpindahan panas yang dihasilkan ACHE hasil perancangan adalah 1,55 Btu/h.ft2.oF dengan
nilai over surface dan over design berturut-turut 28,63% dan 23,062%. Berdasarkan literatur,
nilai over survace dan over design yang diizinkan adalah lebih kecil dari 30% sehingga desain
ACHE ini masih layak. Selain itu, ACHE yang didesain memenuhi koefisien perpindahan panas
yang dibutuhkan dan memiiki dimensi HE yang sesuai dengan L/W (3/1).
5.2 Parameter Operasi Proses Hasil Perancangan
Temperatur fluida proses masuk tidak boleh melebihi titik embun air pada 8,63 bar
(173,4642oC) agar air yang masih sedikit terkandung pada fluida proses tidak mengembun
sehingga mencegah terjadinya penyumbatan pada tube.
Temperatur keluaran fluida servis tidak boleh melebihi 40oC agar tidak membahayakan
lingkungan sekitar.
Air-Cooled Heat Exchanger
17 dari 41
6 KESIMPULAN Air Cooled Heat Exchanger yang kami rancang kali ini dapat dikatakan layak untuk diproduksi
dan dapat berfungsi dengan baik karena telah memenuhi persyaratan-persyaratan minimum sebuah
air cooled heat exchanger yang diproduksi di pasaran.
7 REFERENSI
No. Judul Dokumen Pengarang Tahun
terbit.
1. Process Heat Transfer Principles and
Applications
Robert W. Serth 2007
2. The Cost of Noise Robert Giammaruti
dan Jess Seawell 2008
3. Introduction to Chemical Engineering
Thermodynamics 7th Edition
J.M. Smith, H.C. Van
Ness, M.M. Abbott .2011
Air-Cooled Heat Exchanger
18 dari 41
Appendix A – Data Fisik Aliran
Data Fisik Fluida Proses
Tabel 1. Properti dari H2
Sumber: http://encyclopedia.airliquide.com
T (°C) P (bar) Cp (kJ/kg.K) H (kJ/kg) μ (Pa.s) ρ (kg/m3) k (W/m.K)
70 8,63 14,865 4872,6 0,0000096 0,6144 0,2008
140 8,63 14,653 5979,9 0,00000109 0,4951 0,2318
Sumber: Geankoplis, Christie John. 2003.Transport Processes and Separation Process
Principles (Include Unit Operation) Fourth Edition. New Jersey: Pearson Education, Inc.
Data Fisik Service Fluid
Tabel 2. Properti dari Udara
Sumber: http://www.peacesoftware.de/einigewerte/calc_luft.php5
T (°C) P (bar) Cp (kJ/kg.K) H (kJ/kg) μ (Pa.s) ρ (kg/m3) k (W/m.K)
33 1 1,0048 306,2 0,000018447 1,1871 0,026
40 1 1,0051 313.72 0,0000191 1,1296 0,0272
Sumber: Geankoplis, Christie John. 2003.Transport Processes and Separation Process
Principles (Include Unit Operation) Fourth Edition. New Jersey: Pearson Education, Inc.
1. Berat molekul 2,02 kg/kmol
2. Kerapatan 53,22 kg/m3
3. Tekanan kritik 12.98 bar
4. Temperatur kritik -240 °C
1. Berat molekul 28,84 kg/kmol
2. Prandtl-Number
0.71224(33oC)
0.713108(40oC)
Air-Cooled Heat Exchanger
19 dari 41
Appendix B – Penjelasan Metodologi
Banyak hal penting yang harus dicermati dalam merancang sebuah air cooled heat exchanger.
Pemilihan temperatur keluaran akan sangat menentukan proses perancangan. Parameter ini cukup
besar dampaknya terhadap biaya operasi perancangan. Semakin tinggi temperatur keluaran, maka
jumlah udara yang dibutuhkan akan semakin sedikit sehingga dapat memperkecil daya kipas yang
digunakan, alhasil biaya pengoperasiannya pun menjadi rendah.
Algoritma untuk merancang sebuah air cooled heat exchanger adalah sebagai berikut.
(1-5) Identifikasi masalah dan studi literatur
Menentukan spesifikasi awalnya seperti tipe tabung, ukuran tabung dan susunannya, tipe draft
dan header-nya. Pemilihan tipe tabung haruslah disesuaikan dengan kondisi lingkungan apakah tingkat
korosinya tinggi atau tidak. Pada kasus perancangan alat penukar panas ini, diasumsikan bahwa kondisi
lingkungannya tidak terlalu korosif sehingga carbon steel dapat dipilih sebagai material untuk tabungnya.
Penentuan ukuran tabung haruslah secermat mungkin agar alat penukar panas ini dapat memiliki
efisiensi yang cukup baik sehingga bisa seekonomis mungkin. Tipe draft yang dipilih untuk perancangan
air-cooled heat exchanger ini adalah tipe induced draft horizontal karena service fluid yang digunakan
berada di bawah suhu 220oF.
Menghitung massa laju alir udara yang dibutuhkan
Perhitungan dapat dilakukan dengan menggunakan data temperatur udara keluaran yang telah
kita asumsikan sebelumnya dan memasukkannya dalam persamaan energi kalor (q)
(6-10) Hitung nilai LMTD dan kalor
Pengasumsian faktor koreksi LMTD:
Faktor koreksi ini sebenarnya bergantung pada jumlah baris dan kolom tabung yang dilalui. Akan
tetapi, karena belum ditentukan berapa jumlah baris dan kolom tabung, maka untuk memperkirakan luas
permukaaan perpindahan panas yang dibutuhkan, maka nilai faktor koreksi dapat diasumsikan.
Air-Cooled Heat Exchanger
20 dari 41
Panas pada bagian tube dapat dihitung dengan Q = m.Cp. ΔT.
Dengan m = laju air fluida proses
Cp merupakan kapasitas panas rata-rata fluida proses
ΔT merupakan selisih temperature masuk dan keluar fluida proses
(11) Memperkirakan UD
Nilai UD dapat ditebak dari melihat nilai grafik berdasarkan fluida proses yang digunakan pada
kasus perancangan ini yaitu gas H2, CO, dan CO2.
(12) Menghitung luas perpindahan panas
Luas perpindahan panas dapat dihitung dengan formula berikut :
(13) Menentukan jumlah baris tabung, panjang tabung, dan banyak tabungnya pada bundle
Yang dilakukan terlebih dahulu adalah menghitung luas permukaan bundle dengan persamaan
berikut
Selanjutnya, luas permukaan bundle dan luas perpindahan panas dibandingkan, lalu rasio
tersebut dicari nilainya yang sedekat mungkin dengan salah satu rasio nilai pada tabel 12.1(referensi :
Process Heat Transfer Principles and Application by R.W Serth halaman 634) sehingga jumlah baris
tabung dapat diketahui. Luas bundle kemudian dievaluasi dengan menggunakan rasio yang didapatkan
dari tabel 12.1. Dengan data luas permukaan bundle baru yang didapatkan, lebar (W) dan panjang (L)
bundle dapat ditentukan.
Jumlah tabung dalam bundle dapat ditentukan dengan melihat rasio dari ATot/L dari tabel 12.1.
Dengan mengasumsikan jarak antartabung sekitar 2 inci, hitung kembali nilai lebar dan luas bundle.
Terakhir, nilai laju alir bundle standar pun dapat ditentukan degnan persamaan berikut ;
Air-Cooled Heat Exchanger
21 dari 41
(14-22) Menentukan jumlah tabung yang dilewati (tube-passed)
Kecepatan aliran fluida pada sisi tabung dapat ditentukan dan hitung juga bilangan Reynold-nya
untuk mengetahui tipe aliran fluida dengan formula berikut :
(23) Menghitung koefisien perpindahan panas total yang dibutuhkan
Koefisien perpindahan panas total yang diperlukan dapat dihitung dengan formula berikut :
(23-28) Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi pada bagian dalam tube (hi).
Persamaan yang digunakan untuk menghitung hi diperoleh dari rumus pada buku ”Process Heat
Transfer Principles and Applications” yang ditulis R.W. Serth halaman 128, eq. 4.1 :
Dengan :
Nu : bilangan Nusselt fluida proses pada temperatur rata-rata dalam tube = hi.Di/k
Re : bilangan Reynold fluida proses pada temperatur rata-rata dalam tube
Di : diameter dalam root tube
k : konduktivitas termal fluida proses pada temperatur rata-rata fluida proses
ρ : densitas fluida proses pada temperatur rata-rata fluida proses
μ : viskositas fluida proses, dievaluasi pada temperatur rata-rata fluida proses
μw : viskositas fluida proses, dievaluasi pada temperatur rata-rata dinding tube
(29-31) Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi pada bagian luar tube (ho).
Tahap pertama perhitungan ho adalah menentukan kecepatan maksimal service fluid untuk
mendapatkan bilangan Reynoldnya. Face velocity dari service fluid (Vface) dikonversi terlebih dahulu dari
kondisi standar (Vface,std) ke kondisi pada temperatur rata-ratanya (Vface,ave) Setelah diperoleh nilai Vface,
dihitung nilai kecepatan maksimal service fluid (Vmax) dengan persamaan pada buku ”Process Heat
Transfer Principles and Applications” oleh R.W. Serth halaman 638, eq. 12.5 :
Air-Cooled Heat Exchanger
22 dari 41
Dengan:
PT : tube pitch
Dr : diameter luar root tube
nf : jumlah fin per satuan panjang
b : tinggi fin
τ : ketebalan fin
Persamaan yang digunakan untuk menghitung ho diperoleh dari buku ”Process Heat Transfer Principles
and Applications” yang ditulis R.W. Serth halaman 638, eq. 12.6 :
Dengan :
Nu : bilangan Nusselt udara pada kondisi temperatur rata-rata udara = ho.Dr/k
Re : bilangan Reynold udara pada kondisi temperatur rata-rata udara = Dr.Vmax.ρ/μ
Dr : diameter luar root tube
Vmax : kecepatan maksimum udara pada tube bank
k : konduktivitas termal udara, dievaluasi pada temperatur rata-rata udara
ρ : densitas udara, dievaluasi pada temperatur rata-rata udara
μ : viskositas udara, dievaluasi pada temperatur rata-rata udara
Atot : total external surface area pada finned tube
Ao : total external surface area pada root tube = π.Dr.L
(32-34) Menghitung efisiensi fin
Efisiensi fin dihitung menggunakan eq. 2.27 dan eq. 5.12 dari buku ”Process Heat Transfer
Principles and Applications” yang ditulis R.W. Serth halaman 51 dan 192 :
ψ = (r2c − r1)[1 + 0.35 ln(r2c/r1)] (eq. 5.12)
(eq. 2.27)
Air-Cooled Heat Exchanger
23 dari 41
Dengan :
r1 : jari-jari dalam fin = jari-jari luar tube (prime surface)
r2 : jari-jari luar fin
r2c : corrected fin radius = r2 + τ/2
ηf : efisiensi fin
Setelah diperoleh efisiensi fin, dihitung weighted efficiency dari permukaan yang dilapisi fin
dengan eq. 2.31 dari buku ”Process Heat Transfer Principles and Applications” yang ditulis R.W. Serth
halaman 51 :
Dengan :
ATot : total luas perpindahan panas = Aprime + Afins
Afins : luas total fin = 2.Nf.π.(r2c2- r1
2)
Aprime : prime surface area = 2.π. r1.(L − Nf.τ)
(35) Menghitung koefisien perpindahan panas total bersih
Koefisien perpindahan panas total yang bersih dihitung dengan menggunakan eq.12.12 dari buku
”Process Heat Transfer Principles and Applications” yang ditulis R.W. Serth halaman 640 :
Di : diameter luar dinding tube
Dr : diameter luar root tube
Do : Diameter luar tube bagian dalam pada tube bimetal
Di,sl : diameter inner sleeve
Do,sl : diameter outer sleeve
Air-Cooled Heat Exchanger
24 dari 41
ksl : konduktivitas termal sleeve
RDo : faktor fouling pada air-side
RDi : faktor fouling pada tube-side
Pada perhitungan ini, faktor fouling diabaikan, sehingga persamaan di atas disederhanakan
menjadi :
Jika nilai Uc > Ureq (nilai U yang dibutuhkan), langkah selanjutnya dilakukan.
(36.) Menghitung fouling allowance
Faktor fouling merupakan salah satu hal yang cukup berpengaruh dalam perpindahan panas
pada heat exchanger. Faktor fouling total dapat dihitung dengan rumus:
Pada kondisi air-side fouling sangat kecil, bernilai 0.
dapat dievaluasi dari Tabel 12.1 Process
Heat Transfer Principles and Application by R.W Serth page 634.
(37.) Menghitung koefisien perpindahan panas desain (
Koefisien perpindahan panas desain heat exchanger ini diperlukan untuk membandingan nilai
tersebut dengan U yang dibutuhkan ( ). Koefisien perpindahan panas total dari desain dirumuskan
sebagai berikut:
Jika maka desain heat exchanger dapat digunakan dan tahapan selanjutnya dapat dilakukan.
Air-Cooled Heat Exchanger
25 dari 41
(38.) Menghitung over surface dan over design
Over-surface dapat ditentukan dengan rumus:
Sedangkan over-design dapat dapat ditentukan dengan rumus:
Jika kedua nilai dapat diterima, maka desain unit HE tersebut dapat digunakan.
(39-50) Menghitung turun tekan tube-side
Langkah pertama yang ditempuh adalah menentukan G dan s, dirumuskan sebagai berikut:
dengan fluida referensi yang digunakan adalah air untuk fluida cair dan udara untuk fluida gas.
Kemudian tentukan dahulu rejim aliran fluida tersebut untuk menentukan f (fanning factor) yang
dirumuskan sebagai berikut:
Untuk aliran laminer:
sedangkan untuk aliran turbulen:
Dengan demikian (turun tekan akibat friksi) dapat ditentukan dengan rumusan sebagai berikut:
Hitung pula yang dirumuskan sebagai berikut:
Kemudian tentukan Gn dan Ren yang dievaluasi dari Appendix Tabel B.2 Process Heat Transfer
Principles and Application by R.W Serth.
Air-Cooled Heat Exchanger
26 dari 41
Untuk (rejim laminer) maka (turun tekan akibat nozzles) dirumuskan:
sedangkan untuk rejim turbulen dirumuskan:
Dengan demikian, turun tekan total pada tube dapat didefinisikan sebagai penjumlahan dari , ,dan
. ( )
(51-56) Menghitung turun tekan air-side
Untuk menentukan pressure drop air-side, harus ditentukan terlebih dahulu fanning factor yang
dipengaruhi oleh Df,a,l, dan Re.eff.
G = ρVmax
ΔPf =
ρ
Df = Outter fin Diameter
Dr = Diameter Root
b = tinggi fin
Air-Cooled Heat Exchanger
27 dari 41
a dan Re.eff merupakan parameter
l = jarak antar fin
nf = jumlah fin
f = fanning factor
G = alir massa per satuan luas
Nr = Banyaknya baris tube
Jika dalam alat penukar panas tidak tersedia Lovers, steam coils, atau hail guards, maka perlu
dikalibrasi dengan faktor koreksi sebesar 1,1.
ΔPo = 1,1. ΔPf
(57-58) Fan-sizing
Fan-sizing adalah tahap untuk menentukan diameter fan (Dfan) dan jumlah fan, yang disesuaikan
dengan luas permukaan fan. Fan harus melingkupi setidaknya 40% luas permukaan bundle.
(59) Menentukan laju alir volumetrik udara tiap fan
Laju alir volumetrik udara yang harus diberikan oleh fan dihitung dengan rumus :
Dengan :
vvol : laju alir volumetrik udara
ṁudara : laju alir massa udara
(60) Menghitung tekanan statik fan (Fan Static Pressure/ FSP)
FSPO dihitung menggunakan eq.12.15 dari buku ”Process Heat Transfer Principles and Applications”
yang ditulis R.W. Serth halaman 642 :
Air-Cooled Heat Exchanger
28 dari 41
Δ
Dengan :
Δ : total ΔP pada air-side
Vex : kecepatan udara buangan yang meninggalkan HE
Vfr : kecepatan udara meninggalkan fan ring
(61) Menghitung laju alir linear udara pada fan ring
Perhitungan laju alir linear udara pada fan ring dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan:
Keterangan besaran:
Vfr : laju alir linear udara pada fan ring
Vvol : laju alir volumetrik tiap fan
Afr : luas penampang fan ring, di mana Afr = πDfr2/4 (Dfr merupakan diameter fan ring)
(62) Menghitung turun tekan total fan
Turun tekan total fan dihitung dengan persamaan:
Keterangan besaran (seluruh satuan dalam British):
∆Ptotal fan : turun tekan total fan
FSP : tekanan statis fan yang diperoleh dari tahap 60
αfr : faktor koreksi energi kinetik (=1)
ρfr : densitas udara pada temperatur rata-rata
Air-Cooled Heat Exchanger
29 dari 41
Vfr2 : laju alir linear yang diperoleh dari tahap 61
gc : 32,174 lbm ft/(lbf s2)
(63-65) Menghitung kerja fan yang diperlukan
Akibat adanya turun tekan pada fan, diperlukan kerja dari luar sistem. Besarnya kerja yang diperlukan
dapat dihitung dengan dua cara, tergantung dari satuan yang digunakan, British (tahap 64) atau SI
(tahap 65).
(66-67) Menghitung daya motor yang diperlukan
Kerja motor yang harus digunakan dihitung dengan persamaan:
Keterangan besaran:
Wmotor : kerja motor yang digunakan
Wfan : kerja yang diperlukan untuk mengatasi turun tekan
μsr : efisiensi speed reducer
Motor yang digunakan dipilih yang dayanya lebih besar dari kerja motor.
(68) Estimasi harga dan rancang heat exchanger (selesai)
Air-Cooled Heat Exchanger
30 dari 41
Appendix C – Contoh Perhitungan
Neraca Energi dan menentukan laju alir udara yang digunakan
Neraca Energi :
= 3479 lbm/h . 3,52 btu/lbm.oF . 126 oF = 1.545..531,421 btu/h
Menentukan laju alir udara
=
= 511.028,422 lbm/h
Menghitung nilai LMTD dan Kalor
=
= 114,055 oF
Menghitung luas perpindahan panas
=
= 10265.67346 ft2
Menentukan jumlah baris tabung, panjang tabung, dan banyak tabungnya pada bundle
= 80,4 ft2 (Setelah dievaluasi)
=
= 824,55 ft/min
Menentukan jumlah tabung yang dilewati (tube-passed)
=
= 70,42 ft/s
=
= 13.207,6
Air-Cooled Heat Exchanger
31 dari 41
Menentukan koefisien perpindahan panas total yang dibutuhkan
=
= 1,265 btu/h.ft2.oF
Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi pada bagian dalam tube (h i).
= 0,023 . 12.659,460,8 . 0,3641/3= 31,431
Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi pada bagian luar tube (ho).
=
= 1580,112 ft/min
= 0,38 . 12.529,152720,6 . 0,7931/3. 21,4-0,15 = 61,7
Menghitung efisiensi fin
ψ = (r2c − r1)[1 + 0.35 ln(r2c/r1)] = . (1+0,35.ln(1,12675/0,5) = 0,8049 in
=
= 0,5758
= (0,04518) + 0,9548*0,5758 = 0,595
Menghitung koefisien perpindahan panas total bersih
C =(
+
)-1 = 1,6269 btu/(h.ft2.F)
Jika nilai Uc > Ureq (nilai U yang dibutuhkan), langkah selanjutnya dilakukan.
Air-Cooled Heat Exchanger
32 dari 41
Menghitung fouling allowance
= 0,00113566 h.ft2.F/Btu . (24,5) +
= 0,0278 h.ft2.oF / Btu
Menghitung koefisien perpindahan panas desain (
=(
+ 0,0278 h.ft2.OF/Btu) = 1,5565 Btu/h.ft2.oF
Jika maka desain heat exchanger dapat digunakan dan tahapan selanjutnya dapat dilakukan.
Menghitung over surface dan over design
=
= 28,63 %
=
= 23,06 %
Jika kedua nilai dapat diterima, maka desain unit HE tersebut dapat digunakan.
Menghitung turun tekan tube-side
Langkah pertama yang ditempuh adalah menentukan G dan s, dirumuskan sebagai berikut:
Untuk aliran laminer:
sedangkan untuk aliran turbulen:
Hitung pula yang dirumuskan sebagai berikut:
Air-Cooled Heat Exchanger
33 dari 41
= 0,001472107 + + 0,001794765 = 0,003340502 psi
Menghitung turun tekan air-side
G = ρVmax=0,072314558 x 90846,16461 = 6569,500241 lbm/h.ft2
ΔPf =
ρ
ΔPo = 1,1. ΔPf =1,13 x 0,454293972
Fan-sizing
Dfan =
=
=8,2469517 ft
vfan =
ρ
58889,52788 acfm
Menentukan laju alir volumetrik udara tiap fan
=
Air-Cooled Heat Exchanger
34 dari 41
Menghitung tekanan statik fan (Fan Static Pressure/ FSP)
Δ
Suku kedua dan ketiga umumnya sama dengan nol karena efek suku kedua dan ketiga saling
meniadakan sehingga dapat diabaikan.
Menghitung laju alir linear udara pada fan ring
=
Menghitung turun tekan total fan
Menghitung kerja fan yang diperlukan
Wfan = Δ
Efisiensi fan pada umumnya adalah 75% (= 0,75)
Menghitung Kerja dan Daya Motor yang diperlukan
7,983 hp
Efisiensi motor pada umumnya adalah 88% (= 0,88)
Air-Cooled Heat Exchanger
35 dari 41
Appendix D – Penentuan Sifat Gas Fluida Proses
Kondisi operasi:
P = 8,63 bar T = 140oC = 413 K
Datafisik H2:
Pc = 13,13 bar Tc = 33,19 K
Pr = P/Pc = 8,63 bar/13,13 bar = 0,6573
Tr = T/Tc = 413 K/33,19 K = 12,4435
Persamaan yang digunakan adalah persamaan gas nyata van der Waals:
α(Tr) = 1
σ = 0
ε = 0
Ψ = 27/64
Ω = 1/8
β = ΩPr/Tr = (1 x 0,6573)/(8 x 12,4435) = 6,6028 x 10-3
q = Ψ α(Tr)/(ΩTr) = (27x1x8)/(64x1x12,4435) = 0,2712
Z = 1+ β - q β (Z- β)/Z2
Z = 1,0066028 – 1,79085 x 10-3 (Z-6,6028 x 10-3)/Z2
Dengan solver, diperoleh Z = 1,0048
Karena Z berada pada rentang 0,98 hingga 1,02 ; maka dapat diasumsikan fluida proses mengikuti sifat-
sifat gas ideal.
Air-Cooled Heat Exchanger
36 dari 41
Appendix E – Penentuan Titik Embun Air pada Tekanan Operasi
Kondisi operasi:
P = 8,63 bar = 863 kPa T = 140oC
Parameter Antoine untuk H2O:
A = 16,3872 B = 3885,70 C = 230,170
ln Psat = A – B / (T+C) , Psat dalam kPa dan T dalam oC
ln 863 = 16,3872 – 3885,70 / (T + 230,170)
6,7604 = 16,3872 – 3885,70 / (T + 230,170)
-9,6268 = -3885,70 / (T + 230,170)
-9,6268 T – 2215,8006 = -3885,70
T = 173,4642oC
Karena titik embun air berada di atas temperatur operasi, maka air yang terbawa dari flue gas tidak akan
mencair.
A
Air-Cooled Heat Exchanger
37 dari 41
AAppendix F – Hasil Perhitungan Perancangan
Hydrogen properties at 8,63 bar (SI)
T (°C) Cp (kJ/kg.K) μ (Pa.s) ρ (kg/m3) k (W/m.K)
70 14,865 0,0000096 0,6144 0,2008
140 14,653 0,00000109 0,4951 0,2318
Hydrogen properties at 8,63 bar (English Units)
T (°F) Cp
(Btu/lbm.°F) μ (lbm/ft.s) ρ (lbm/ft3) k (Btu/h.ft.°F)
158 3,550444253 6,45091E-06 0,038356992 0,11602041 outlet
284 3,499808923 7,32447E-07 0,030909093 0,13393192 inlet
221 3,525126588 3,59168E-06 0,034633043 0,12497617 rata-rata
Air properties at 1 bar (SI)
T (°C) Cp (kJ/kg.K) μ (Pa.s) ρ (kg/m3) k (W/m.K)
33 1,0048 0,000018447 1,1871 0,026
40 1,0051 0,000019103 1,1296 0,0272
Air properties at 1 bar (English Units)
T (°F) Cp
(Btu/lbm.°F) μ (lbm/ft.s) ρ (lbm/ft3) k (Btu/h.ft.°F)
91,4 0,239992357 1,23958E-05 0,074110653 0,01502256 inlet
104 0,240064011 1,28366E-05 0,070518463 0,01571591 outlet
97,7 0,240028184 1,26162E-05 0,072314558 0,015369237
Laju Alir Fluida Proses
Laju Alir Fluida Service
m3/h ft3/h lbm/h
lbm/h
2845,133582 100471,279 3479,626074
511028,4216
Data-data Awal
Y 0,065420561
Z 10
Tlm (°F) 114,0555602
FT 1 Nilai FT dari Fig.4.9-5 p.295 Geankoplis
Tlm' (°F) 114,0555602
Q tube (Btu/h) 1545531,421
U (Btu/h.ft2.°F) 1,32
Menghitung luas perpindahan panas total (A*)
A* (ft2) 10265,67346
Air-Cooled Heat Exchanger
38 dari 41
Menghitung luas bundle
Ab (ft2) 131,8900271
rho std (lbf/ft3) Vb (ft/min)
rasio A*/Ab 77,83510009
0,08072199 800
dari tabel 12.1 RW, digunakan
jumlah row(s) 3
Mengevaluasi nilai Ab
A*/Ab 80,4 Tabel 12.1 R.W p 634
Ab (ft2) 127,6825057
%galat 3,190174013
Menentukan panjang dan lebar bundle
panjang (ft) L
lebar (ft) W (L = 3W)
Ab (ft2)
127,6825057 =W*L = 3W^2
Konversi satuan ke SI
W (ft) 6,523866587
W (m) 1,988474536
L (ft) 19,57159976
L(m) 6,096
L pembulatan (ft) 20
Menentukan jumlah tube yang digunakan (nt)
A* (ft2) 10265,67346
L (ft) 19,57159976
Atotal/L (ft) 5,58 dari tabel 12.1 RW p.634
nt 93,99979814 jumlah tube(s)
nt pembulatan 96 Pendekatan ke jumlah tube yang merupakan kelipatan 3 dan lebih besar dari 94 (pembulatan n tube)
Mengevaluasi nilai W
Tube pitch (in) 2,5 Jarak antar tube dalam tiap barisnya (asumsi)
nt 96
row(s) 3
nt/row 32
side clearances (in) 0,125
W (ft) 6,677083333
%galat 2,348557316
Evaluasi nilai Ab
Ab = L*W
L 20
W 6,677083333
Ab (ft2) 133,5416667
%galat 4,588851767
Air-Cooled Heat Exchanger
39 dari 41
Evaluasi nilai Vb
Vb = m.f. Rate udara /(rho std*Ab)
ṁ udara (lbm/min) 8517,14036
rho std (lbm/ft3) 0,08072199
Ab (ft2) 133,5416667
Vb std (ft/min) 790,1056227
%galat 1,236797167
Menentukan kecepatan fluida proses (Vfp)
ṁ H2 (lbm/h) 3479,626074
np 1
BWG 16
nt 96
Di (in) 0,87
ρ H2 (lbm/ft3) 0,034633043
Di (ft) 0,0725
μ (lbm/ft.h) 3,59168E-06
Konversi ke SI
Vfp (ft/s) 70,42101856
Vfp(m/s) 21,46432646
Re 12307,5999
Pr 0,364709952
Menghitung Ureq
U req (Btu/h.ft2.°F) 1,264811918 UD > Ureq, maka langkah dilanjutkan
hi (Btu/h.ft2.°F) 53,00761459 Asumsi : μ/μw = 1 karena Twall dianggap = Tfluida proses)
Menghitung ho
Atot/Ao 21,4
Vb, ave (ft/min) 881,9648481
nf (in) 10
Vmax (ft/min) 1514,102743
b (in) 0,625 fin height
Re 12053,65497
τ (in) 0,0035 fin thickness
Nu 60,14140031
Dr (in) 1
ho (Btu/h.ft2.°F) 11,09192941
Pr udara 0,709320081
Efisiensi Fin
konversi ke SI
r1 (in) 0,5 root tube radius
0,041666667
r2 (in) 1,125 r1 + fin height
0,09375
r2c (in) 1,12675 r2 + fin thickness/2 0,093895833
ψ(in) 0,804978645
Data fisik aluminium
m (ft-1) 23,55820669
k (W/m.K) 237,14
mφ 1,580321108
k (Btu/h.ft.°F) 137,0458341
ηf 0,581307192
Air-Cooled Heat Exchanger
40 dari 41
Afins(in2) 64,06119362
Aprime(in
2) 3,031636911
Atotal (in2) 67,09283053
Afins/Atot 0,954814294
Aprime/Atot 0,045185706
Efisiensi berat permukaan fin
ηw 0,600226122
ηw (%) 60,02261219
Menghitung clean overall coefficient
Dari tabel 12.1 RW p.634
Uc (Btu/h.ft2.°F) 1,620332375
Atot/Ai 24,5
karena Uc > Ureq, langkah dilanjutkan
Ureq 1,264811918
Menghitung fouling allowance & design overall coefficient (UD)
RDi (h.ft2.°F/Btu) 0,00113566
Over surface (%) 28,10856314
RDo (h.ft2.°F/Btu) 0
Over design (%) 22,58212067
RD (h.ft2.°F/Btu) 0,02782367
UD (Btu/h.ft2.°F) 1,550433272
U req (Btu/h.ft2.°F)
1,264811918
karena UD > Ureq, HE ini dapat bekerja secara thermal
Menghitung tube-side pressure drop
Re 12307,5999
f 0,036255651
ṁ H2 (lbm/h) 3479,626074
np/nt 0,010416667
Di (ft) 0,0725
densitas pada kondisi tube side
G (lbm/h.ft2) 8780,018863
rho udara (kg/m3)
rho f proses (kg/m3)
SG = s 0,069832578
7,944 0,55475
L (ft) 20
ϕ 1 asumsi : faktor koreksi viskositas tidak berpengaruh
Δ Pf (psi) 0,001472107 Δ Pf (kgf/in2) = 1,47211E-08
Δ Pr (psi) 7,36307E-05
Menghitung pressure drop nozzle
asumsi : nozzle diameter 5"
flow area (ft2) 0,139
Gn (lbm/h.ft2) 25033,28111
Re n 140363,9845
Δ Pn 0,001794765
Total tube-side pressure drop
Air-Cooled Heat Exchanger
41 dari 41
Δ Pi 0,003340502 Δ Pi (kgf/in2) = 3,3405E-08
Menghitung air-side pressure drop
Dr (in) 1
b (in) 0,625
Df (in) 2,25
PT (in) 2,5
a 0,25
τ (in) 0,0035
l (in) 0,0965 fin spacing
Re udara 12053,65497
Re eff 1861,084328
f 0,250180343
ρ udara (lbm/ft3) 0,072314558
Vmax (ft/h) 90846,16461
G (lbm/h.ft2) 6569,500241
Nr 3
ΔPf (in. H2O) 0,41299452
ΔPo (in. H2O) 0,454293972 ΔP maksimum = 0,5 in. H2O
Fan Sizing
A face 133,5416667
0,4 A face 53,41666667
fan dalam 1 bay 1
D fan (ft) 8,2469517
Dfan r (ft) 8,3
v fan (acfm) 58889,52788
Dfan r (m) 2,52984
Motor Sizing
v fan (acfm) 58889,52788
Dfan r (ft) 8,3
Vfr (ft/s) 18,14014508
αfr 1 asumsi : faktor koreksi energi kinetik = 1
ρfr (lbm/ft3) 0,072314558
velocity pressure 0,071076425 (in. H2O)
FSP 0,454293972
ΔP total fan 0,525370398 (in. H2O)
efisiensi fan 0,75
W fan (hp) 6,504533727
efisiensi motor 0,88
W motor (hp) 7,391515599 generally 50 hp or less