RANGKA PRESENTASI

KONSEP STANDAR RULES OF THUMB

PROSEDUR PERHITUNGA

N

SOAL HITUNGAN

P e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3


KONSEP HE SHELL & TUBEP e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3


Definisi Shell and Tube Heat Exchanger

STHE terdiri dari beberapa tube yang dibungkus oleh silinder shell dengan posisi tube yang sejajar dengan shell.

Fluida satu akan mengalir pada tube dan fluida lainnya mengalir di shell.

STHE dapat memberikan luas area perpindahan panas yang besar dan efisiensi perpindahan panas yang besar.

Dapat digunakan pada kondisi tekanan tinggi dan suhu tinggi


Tujuan

STHE merupakan jenis HE yang sangat berguna dan banyak digunakan dalam proses industri.

Hal ini dikarenakan, industri membutuhkan jumlah hairpin double pipe yang cukup banyak.


Komponen Utama

1. Shell

2. Nozzles

3. Channels

4. Channel covers

5. Baffles


Perbandingan

Single Pass Multiple Passes

• Saat fluida dalam HE saling

melewati hanya satu kali disebut

singgle pass heat exchanger.

• Tidak dapat menyediakan heat

recovery

• Saat fluida dalam HE saling

melewati lebih dari satu kali disebut

multi pass heat exchanger.

• Untuk membuat fluida yang

multiple passes ialah menggunakan

U-tube HE dan menambah baffle.

• Contoh 1-4,1-6,1-8,2-4. Angka

pertama menunjukan jumlah shell

dan angka kedua menunjukan

jumlah passes.


Single Pass & Multi Pass


MULTIPASS STHE

X-X SHELL TUBE STHE


JUMLAH PASS DALAM

TUBES

JUMLAH PASS DALAM

SHELL

MULTIPASS STHE


4-8 SHELL TUBE STHE

Istilah-istilah dalam HE Shell&Tube

BAFFLE

Merupakan penyokong agar tubes tidak bergetar atau bergerak

Terbagi 2 tipe: PLATE ROD


PLATE BAFFLEJ e n i s B a ffl e p a d a S T H E

Drag picture to placeholder or click icon to add


ROD BAFFLE

Drag picture to placeholder or click icon to add

J e n i s B a ffl e p a d a S T H E



BAFFLE CUT

Sejumlah persenan dari tinggi yang dipotong dari keseluruhan setiap baffle untuk mempengaruhi aliran di dalam shell

Salah satu parameter penting dalam desain sebuah STHE

Pengaruhi keefisienan perpindahan panas di shellside

Biasa digunakan sekitar 15%-40% dari shell inside diameter


Effect of Baffle Cut


B a ffl e c u t m e m p e n g a r u h i a l i r a n p a d a s h e l l s i d e


TUBE LAYOUT PATTERNS

Triangular

Rotated Triangular

Square

Rotated Square

Tipe 30° memberi lebih banyak tubes dalam shell

Tipe 60° lebih bersih karena pitch nya dekatpitch


Aplikasi HE Shell&Tube

Aplikasi sangat luas

STHE jenis Heat Exchanger yang paling umum dipergunakan pada proses Revinary, Oil and Gas, Petrochemical, dan perusahaan-perusahaan energi Dapat bekerja pada range T dan P yang luas Dapat terbuat dari berbagai macam material Banyak supplier Well established – desain dan kode nya sudah berkembang melalui

pengalaman

Pada power plants biasanya menggunkan 2-4 STHE Desain dikarenakan lebih simple karena aliran masuk dan keluar disisi yang sama (economizer)


AplikasiS h e l l a n d t u b e h e a t e x c h a n g e r p a d a o i l a n d g a s i n d u s t r y


STANDAR HE SHELL & TUBEP e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3


Shell and Tube Heat Exchanger Standards

American Petroleum Institute

(API)ANSI/API Standard 660 (8th

Ed) tahun 2007

TEMA (Tubular Exchanger

Manufactures Association)


Design STHE Temperatur

Cladding for Corrosion Allowance

Harus mempunyai Maximum Design Temperaute dan

Minimum Design Metal Temperature (MDMT)

Design Temperature harus dipengaruhi oleh

shell dan tube

Ketebalan Minimum 10 mm (3/8 in)


Tubes

Diameter minimim luar tubes harus 19.05 mm (3/4 in),

Radius rata-rata dari lengkungan-U, tidak boleh kurang dari 1.5 kali diameter luar.

Design


Materials

Tubes

Integrally finned tubes of copper alloy shall be furnished in the annealed-temper condition, such as described in ASTM B 359/B 359M.

Gaskets – seal mekanis yang mengisi

ruang antara dua permukaan rapat untuk mencegah kebooran

Gaskets shall not contain asbestos.


Gasket

Fabrication


TEMA (Tubular Exchanger Manufactures Association)


TEMADesignation


RULES OF THUMB HE SHELL & TUBEP e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3


RULE OF THUMB #11. Kecepatan maksimum pada shellside

Kecepatan harus dijaga tidak terlalu cepat , hal ini ditujukan untuk mencegah terjadinya erosi ketika terdapat moisture dan partikel dalam aliran.

Untuk mengurangi pressure drop yang tinggi dapat menggunakan kecepatan aliran di bawah maksimum pada kondisi operasi tertentu

Kecepatan pada nozzle boleh diizinkan sampai 1,2 dan 1,4 kali lipatnya


RULE OF THUMB #22. Kecepatan maksimum pada nozzle

Penurunan tekanan dalam heat exchanger harus selalu diperhatikan ,

terutama pada sistem yang menggunakan aliran

bertekanan rendah


RULE OF THUMB #33. Jangan digunakan untuk menurunkan temperatur yang terlalu tinggi

Ilustrasi : pada pencairan Hidrogen dan neon

Udara (umpan dimana mengandung hidrogen dan neon), tidak langsung didinginkan menggunakan nitrogen cair, akan tetapi didinginkan secara bertahap dahulu, yaitu didinginkan dengan air pada kondisi normal, lalu kemudian didinignkan menggunakan cairan nitrogen.

4. Penempatan fluida pada heat exchanger

• Fluida korosif ditempatkan pada bagian tubeside• Fluida yang memiliki tekanan dan temperatur tinggi diletakkan

dalam tubeside• Fluida yang memiliki kecepatan tinggi ditempatkan dalam tubeside• Fluida yang memiliki kekotoran, ditempatkan pada bagian tubeside• Aliran yang memiliki debit besar diletakkan pada bagian yang

berdiameter lebih besar, begitu sebaliknya


RULE OF THUMB #4

Untuk sistem yang relatif

bersih (kotoran) dan

memiliki perbedaan

temperatur antara shell

dan tube yang tidak

terlalu tinggi, maka

digunakan BEM

Untuk sistem yang heat

exchanger yang akan

mengakomodasi ekspansi

thermal yang secara

signifikan antara tube

dan shell, maka digunaan

BEU


PROSEDUR PERHITUNGAN HE SHELL & TUBEP e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3


Shell and Tube Design Flowsheet


Determining R,S


Determining Temperature Difference


Determining Physical Properties


Determining Heat Transfer Overall Coefficient


Determining Uo


Determining Tube Side Coefficient


Determining Bundle Diameter


Shell Diameter and Baffle Spacing


Colborn Coefficient (jH)


Overall Coefficient


Tube Side Friction Factor


Shell Friction Factor


Check Pressure Drop


EXAMPLE 8.1 (KERN)P e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3


Calculation of a 2-4 Oil Cooler

A 33.5˚API oil has viscosity of 1.0 centipoise at 180˚F and 2.0 centipoise at 100˚F.49,600lb/hr of oil leaving a distilling column at 358˚F and is to be used in an absorption process at 100˚F.Cooling will be achieved by water from 90˚F to 120˚F.Pressure drop allowances of 10psi may be used on both streams along with a combined dirt factor of 0.004.


Available for this service from a discontinued operation is 35in.ID 2-4exchanger having 454 1in.OD ,11BWG tubes 12 ״0׳ long laid out on 1¼-in.squre pitch. The bundle is arranged for six tube passes and vertical cut baffles are spaced 7in. apart. The longitudinal baffle is welded to the shell.

Is it necessary to use a 2-4 exchanger?

Will the available exchanger fulfill the requirements?


2-6 Shell and tube heat exchanger


Temperature profile:

T1(358)

t2(120)

T2(100)

t1(90)

L

Solution:-

Exchanger

shell side Tube side

ID=35in. Number=454

Baffle spacing=7in. Length=12 ״0׳

Passes=2 OD,BWG=1in.,11

Pitch=1¼in.squre

Passes=6

Hot fluid Cold fluid

difference

T1=358˚F t2=120˚F ∆t1=238˚F

T2=100˚F t1=90˚F ∆t2=10˚F

Temperature range:-

(T1-T2) (t2-t1)

258˚F 30˚F

LMTD:-

LMTD= ∆t1-∆t2

ln(∆t1/∆t2)

LMTD = 238-10

ln(238/10)

LMTD =72˚F

Correction factor:-

R= (T1-T2)/(t2 - t1)

R=238/30

R=8.6

S=(t2-t1)/(T1-t1)

S=30/(358-90)

S=0.112

True temperature difference:-

∆t=FT×LMTD

From table: FT=0.93

LMTD=72˚F

∆t=0.93×72

∆t=66.96˚F

Heat balance:-

Oil Q=W ×cp×(T1-T2) Q=49,600×0.545×(358-100) Q=6,980,000Btu/hr

Water Q=m×cp×(t2-t1) Q=23,2666.67×1.0×(120-90) Q=6,980,000.1Btu/hr

Caloric temperatures:-

∆t2/∆t1=10/238=0.042

For

API=33.5˚ and temperature range(258˚F) Kc=0.47(from table)

For Kc=0.47 and ∆t2/∆t1=0.042

Fc=0.267

Caloric temperature of hot fluid:

Tc=T2+Fc×(T1-T2)

Tc=100+0.267×(258)

Tc=165˚F

Caloric temperature of cold fluid:

tc=t1+Fc×(t2-t1)

tc=90+0.267×(30)

tc=98˚F

Hot fluid: shell sideFlow area

as=1/2(ID×C׳×B)/144PT

as=1/2(35×0.25×7)/144×1.25

as=0.17ft2

Mass velocity

Gs=W/as

Gs=49,600/0.17

Gs=292000lb/(hr)(ft2)

Viscosity:

At Tc=165F (from table)

µ=1.12cp

µ=1.12×2.42

µ=2.71lb/(ft)(hr)

Equivalent diameter:

De=0.99 in. (from table)

De=0.99/12

De=0.0825ft

Reynolds number: Res=DeGs/µ Res=0.0825×292000/2.71 Res=8900 jH=52.5 (from table)

Prandtl number:- Pr=(cµ/k)

For API=33.5˚ and µ=2.71 (from table) k(Pr)⅓=0.20Btu/(hr)(ft2)(˚F)

Film coefficient: ho=jH× (k/De) × (Pr)⅓×Φs ho/Φs= 52.5 ×0.2/0.0825 ho/Φs=127

Cold fluid: tube sideFlow area:

a׳t=0.455 in. square at=(Nt×a׳t)/(144×n) at=(454×0.455)/(144×6) at=0.239ft2

Mass velocity:

Gt=m/at

Gt=232666.67/0.239

Gt=973500lb/(hr)(ft2)

Fluid velocity:

V=Gt/(3600×ρ)

V=973500/(3600×62.37)

V=4.33fps

Diameter:

D=0.76 in./12 (from table)

D=0.0633ft

Viscosity:

At tc=98˚F

µ=0.73 cp (from table)

µ=0.73×2.42

µ=1.77 lb/(hr)(ft)

Reynolds number:

Ret=D× Gt/μ

Ret=(0.0633 ×973500)/1.77

Ret=348156

Film coefficient:

For

V=4.33fps (from table)

hi=1010×0.96

hi=970 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

hio=hi×(ID/OD)

hio=970×(0.76/1.0)

hio=737 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

Tube-wall temperature:

tw=tc+ ho × (Tc-tc)

(ho+hio)

tw=98+ 127 × (165-98)

(127+737)

tw=108ºF

At tw:

μw=1.95×2.42

μw=4.72 lb/(hr)(ft)

Φs=(μ/μw)¼

Φs=(2.71/4.72)¼

Φs=0.92

ho=127×0.92

ho=117 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

Clean overall coefficient Uc:

Uc= (hio×ho)/ (hio+ho)

Uc=(737×117)/(737+117)

Uc=101 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

Design overall coefficient UD:

UD=Q/(A× ∆t)

A(total)=454×12ft×(0.2618ft2/lin ft)

A=1425ft2

UD=6980000/(1425×66.96)

UD=73.15 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

Dirt factor Rd:

Rd=(Uc-UD)/UcUD

Rd=(101-73.15)/(101×73.15)

Rd=0.00377 (hr)(ft2)(ºF)/Btu

Rd (required) 0.004

Rd(calculated) 0.00377

Pressure drop: (on shell side)

For Res=8900 (from table)

f=0.00215ft2/in.2

No of crosses, N+1=12L/B

N+1=(12 × 12)/7

N+1=20.1 ( Say,21)

Ds=35 in./12

Ds=2.92ft

S( specific gravity)=0.82 (from fig.)

∆Ps = f×Gs2×Ds×(N+1)

5.22×1010×De×s×Φs

∆Ps =0.00215×2920002×2.92×42

5.22×1010×0.0825×0.82×0.92

∆Ps =7.0psi (allowable=10psi)

Pressure drop: (on tube side)Ret =34815.6 (from fig.)

f=0.000195ft2/in.2

∆Pt=(f×Gt2×L×n)/(5.22×1010×Ds×Φt)

∆Pt= 4 psi

Gt=973500,v2/2g=0.13 (from fig.)

∆Pr=(4×n×v2)/(2g×s)

∆Pr=3.2 psi

∆PT=∆Pt+∆Pr=7.2psi(allowable=10psi)

2-4 Shell and tube heat exchanger:-

Only replace value of n=6 to n=4

At=0.3585

Gt=649000

V=2.89fps

Ret=23210

hi=760 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

hio=577 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

tw=110ºF

ho=117 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

Uc=94 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

Rd=0.003 (hr)(ft2)(ºF)/Btu

F=0.00025

∆Pt=1.53 psi ,v2/2g =0.065

∆Pr=1.04 psi

∆PT=∆Pt+∆Pr=2.57psi

(allowable=10psi)s

So,2-6 STHE is more suitable as compare to 2-4 STHE.

EXAMPLE 8.2 KERNC O N T O H P E R H I T U N G A N S T H E


CALCULATION OF AN ACETONE-ACETIC ACID EXCHANGERAcetone (s=0.79) at 250oF is to be sent to storage at 100oF and at a rate of 60,000 lb/hr. The heat will be recieved by 168,000 lb/hr of 100 per cent acetic acid (s=1.07) coming from storage at 90oC and heated to 150oC. Pressure drops of 10.0 psi are available for both fluids, and a combined dirt factor of 0.004 should be provided.

Available for the service are a large number of 1-2 exchangers having 21 ¼ in. ID shells with 270 tubes ¾ in. OD, 14 BWG, 16’0’’ long and laid out 1-in. Square pitch. The bundles are arranged for two tube passes with segmental baffles spaced in. apart.

How many of the 1-2 exchangers should be installed in series?

Diketahui :

Table 9. Tube Sheet Layout

Table 10. Heat Exchanger and Condenser Tube Data

PEMBAHASAN1. HEAT BALANCE Q = WC (T1-T2)

AcetonAcetic acid

Q = 60,000 x 0.57 (250-100) = 5,130,000 Btu/hr Q = 168,000 x 0.51 (150-90) = 5,130,000 Btu/hr2. TEMPERATURE DIFFERENCE (

= LMTD. FT

Fig. 18 (HE 1-2) FT = tidak memotong

Fig. 19 (HE 2-4) FT = 0.67 (masih terlalu rendah, minimal 0.75)

Fig. 20 (HE 3-6) FT = 0.88 (pilih tipe HE 3-6)

FT merupakan pertimbangan pemilihan jumlah shell and tube. Terlebih dahulu menghitung R dan S

= LMTD. FT = 39.1 x 0.88 = 34.4 F

FIG. 18

FIG. 19

0.67

FIG. 20 0.88

3. CALORIC TEMPERATURE

Tc and tc. These liquids are not viscous, and the viscosity correction will be negligible, . Average temperatures may be used.

Aceton Ta = (250+100)/2 = 175 F , Acetic acid ta = (150+90)/2 = 120 F

4. FLOW AREA

Keterangan : ID = Inner DiameterC’ = PT – OD tubeB = Baffle

5. MASS VELOCITY

6.

Aceton 100%Ta = 175 Fx = 14.5y = 7.2

Acetic acid 100%ta = 120 Fx = 12.1y = 14.2

Shell : acetonD = de/12 [Fig. 10]

Tube : acetic acidD = ID/12 [Fig. 10]

7. Colburn Coefficient (jH)

8. Ta, c, k

FIG. 2

9. ho, hi

10. hio

13. CLEAN OVERALL COEFFICIENT(Uc)

14. DESIGN OVERALL COEFFICIENT (Uc)

15. DIRT FACTOR (Rd)

15,800

FIG. 29

0.00155

FIG. 26

0.00024

FIG. 27

0.63

THANK YOU P e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3

Shell and Tube Heat Exchanger

Engineering

Transcript of Shell and Tube Heat Exchanger