+ All Categories
Home > Documents > Laporan ACHE Kelas 02

Laporan ACHE Kelas 02

Date post: 05-Jul-2016
Category:
Upload: deonardo-hermawan
View: 56 times
Download: 2 times
Share this document with a friend
Description:
OPK
41
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
Transcript

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

14 dari 41

Gambar 4.2-4 Fin ACHE

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


Recommended