Bab V.docx

BAB V HASIL DAN LUARAN YANG DICAPAI

5.1 Data Sheet HE 1-E-303 Data yang didapat berdasarkan spesifikasi Heat Exchanger unit 1-E-303 Pabrik-4 PT Pupuk Kaltim.

Tipe

: BEM

Panjang tube

L

:6m

Jumlah beban panas

Q

: 8586927 W/s

Sisi Shell (fluida panas) Nama fluida

: Lean MDEA Solution

Diameter dalam shell

Ds

: 970 mm

Kecepatan larut

ṁs

: 67 Kg/s

Suhu masuk

Thi

: 355.65 K

Suhu keluar

Tho

: 321.85 K

Suhu tengah

: 338.75 K

Jumlah passes

n

: 1 buah

Jumlah sekat (baffle)

Nb

: 8 buah

Jarak antar sekat (baffle) B : 655 mm Parameter pada suhu 338.75 K (Mid Point) Densitas

𝜌

: 1017.5 Kg/m3

Viskositas

𝜌

: 0.00187 Ns/m2

Panas spesifik

Cp

: 3803.71 J/kgK

Konduktifitas termal

k

: 0.415 W/mK

Sisi Tube (fluida dingin)

Nama fluida

: Circulating Cooling Water (CCW)

22

23

Dimeter luar tube

do

: 19.05 mm

Dimeter dalam tube

di

: 14.83 mm

Pitch tube

Pt

: 25.4 mm

Jumlah tube

Nt

: 1074

Panjang tube

L

: 6000 mm

Kecepatan larut

ṁt

: 205.78 Kg/s

Suhu masuk

Tci

: 308.15 K

Suhu keluar

Tci

: 318.15 K

Suhu tengah

: 313.15 K

Parameter pada suhu 313.15 K (Mid Point) Densitas

𝜌

: 992 Kg/m3

Viskositas

𝜌

: 0.00066 Ns/m2

Panas spesifik

Cp

: 4178.43 J/kgK

Konduktifitas termal

k

: 0.222 W/mK

Konduktifitas carbon steel Kcs : 54 W/mK Konduktifitas ss 304

Kss

: 15 W/mK

5.2 Perhitungan 5.2.1

Menentukan panas kerja (Q) Untuk menentukan neraaca panas, kita gunakan persamaan (2.6) 𝑄 = 𝑚ℎ 𝐶𝑝ℎ (𝑇1 − 𝑇2 ) 𝑄 = 67

𝑘𝑔 𝑠

𝑗

x 3803.708 𝑘𝑔𝐾 (355.65 – 321.85) K = 8597092 j/s

5.2.2 Menentukan beda temperatur logaritma rata – rata (LMTD) Fluida panas

Fluida dingin

355.65

Suhu Tinggi

318.15

321.85

Suhu Rendah

308.15

∆𝑇1 = [𝑇ℎ𝑖 − 𝑇𝑐𝑜 ]= 3.55.65 – 318.15 = 37.5 K ∆𝑇1 = [𝑇ℎ𝑖 − 𝑇𝑐𝑖 ]= 321.85 – 308.15 = 13.7 K

24

Sehingga digunakan persamaan (2.7) mencari LMTD

∆𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 =

∆𝑇1 − ∆𝑇2 ∆𝑇 ln( 1) ∆𝑇2

=

37.5−13.7 37.5

ln(13.7)

= 23.64 K

5.2.3 Menentukan koefisien transfer panas Untuk menentukan koefisien transfer panas, maka dilakukan asumsi dengan memperhatikan jenis fluida yang digunakan lihat tabel 2.2 sebagai berikut : ho

= 5000 W/m2K

hi

= 1500 W/m2K

5.2.4 Menentukan diameter ekuivalen Untuk bentuk segitiga (triangular pitch) berdasarkan persamaan (2.8)

𝐷𝑒 =

𝑃𝑇2 √3 𝜋𝑑𝑜2 − ) 4 8 2 𝜋𝑑𝑜

4(

1.3332 √3 𝜋𝑜.019052 − ) 4 8 2 𝜋0.01905

4(

=

2

= 0.01831228 m

2

5.2.5 Menentukan koefisien panas permukaan kotor (Uf) Berdasarkan persamaan (2.1.0) maka didapatkan, 𝑑𝑦 𝑑𝑥

1

=

ℎ𝑜

𝑢𝑓 = [

+

𝑟𝑜 1 𝑟𝑖 ℎ𝑖

+ 𝑅𝑓𝑡 + 𝑟𝑜

ln(𝑟𝑜 ⁄𝑟𝑖 ) 𝑘

= 856.35 𝑊 ⁄𝑚2 K

1 0.01905 1 0.01905 ln(0.01905/0.01483 + + 0.0002 + ] 5000 0.01483 1500 54

5.3 Menentukan koefisien panas bersih (Uc) Berdasarkan persamaan (2.1.1) maka didapatkan 1 𝑈𝑐

=

1 ℎ𝑜

𝑢𝑓 = [

+

𝑟𝑜 1 𝑟𝑖 ℎ𝑖

+

ln(𝑟𝑜 ⁄𝑟𝑖 ) 𝑘

= 1033.33 𝑊 ⁄𝑚2 K

1 0.01905 1 0.01905 ln(0.01905/0.01483 + + 0.0002 + ] 5000 0.01483 1500 54

5.4 Menentukan jarak antar tube Berdasarkan persamaan (2.1.2) maka di dapatkan

𝐶 = 𝑃𝑇 − 𝑑𝑜 = 1.333 − 0.01905 = 0.00635 𝑚

25

5.5 Menentukan luas permukaan Digunakan persamaan (2.1.3) dan (2.1.4) sehingga Luas permukaan kalor dengan pengotoran.

𝐴𝑓 =

𝑄 𝑈𝑓 ∆𝑇𝑀

=

8597092 859.6 𝑋 23.64

= 424.67 𝑚2

Luas permukaan kalor bersih.

𝐴𝑐 =

𝑄 𝑈𝑓 ∆𝑇𝑀

8597092

=

1038.06 𝑋 23.64

= 351.94𝑚2

5.6 Menentukan kelebihan desain (Overdesign) Dengan menggunakan persamaan (2.1.5)

𝑜𝑣𝑒𝑟𝑑𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 =

𝐴𝑂 𝐴𝑐

=

423.07 350.33

= 1.21 = 21 %

5.7 Menentukan diameter dalam shell (Ds) CTP

= 0.93

CL

= 0.87

PR

= 1.333

L

=6m

Berdasarkan persamaan (2.1.6) didapat untuk diameter dalam adalah

𝐷𝑠 = 0.637 √

𝐶𝐿 𝐶𝑇𝑃

𝐷𝑠 = 0.637 √

[

𝐴𝑜 (𝑃𝑅) 2𝑑𝑜 𝐿

] = 0.954

0.87 423.07(1.333) 2 0.01905 0.93

[

6

] = 0.954

5.8 Menentukan jumlah tube Berdasarkan persamaan (2.1.7) didapat untuk menghitung jumlah tube adalah : 𝐶𝑇𝑃 𝐷𝑠2 𝑁𝑡 = 0.785 ( ) = 1183 𝑏𝑢𝑎ℎ 𝐶𝐿 (𝑃𝑅)2𝑑𝑜 𝑁𝑡 = 0.785 (

0.93 0.9522 ) 0.87 (1.333)

26

5.9 Menentukan koefisien transfer panas sisi shell Persamaan (2.1.8)

𝐴𝑠 =

𝐷𝑠 𝐶𝐵 𝑃𝑇

=

0.954 𝑋 0.00635 𝑋 0.655 1.333

= 0.1562

Persamaan (2.1.9)

𝐺𝑠 =

𝑚

𝐴𝑠

Persamaan (2.2.0)

𝑅𝑒𝑠 =

𝐺𝑠 𝐷𝑒 𝜇

=

428.11 𝑥 0.01831 0.00187

= 4200.16

Persamaan (2.2.1) 1

𝑇 +𝑇

𝑇

+𝑇

308.15+318.15

355.65+321.85

𝑇𝑊 = 2 ( 𝑐𝑜 2 𝑐𝑖 + ℎ𝑜 2 ℎ𝑖 )= ( + )= 325.95 K 2 2 Untuk 𝜇𝑤 dapat dicari dengan interpolasi untuk temperatur 325.95 𝜇𝑤 = 2.37 10-3 Ns/m2 Jadi untuk menentukan koefisien transfer sisi shell berdasarkan persamaan (2.2.2) ℎ𝑜 𝑒

𝐷𝑒 𝐺𝑠

= 0.36 (

𝑘 ℎ𝑜 𝑒

𝜇

𝜇

)

0.55

𝑐𝑝

0.018312 𝑥 412.24

= 0.36 (

𝑘 ℎ𝑜 𝑒

= 88.22 ℎ𝑜 =

𝑘

1/3

(𝑘)

0.00187 88.22 𝑥 0.415 0.018312

𝜇

(𝜇 )

0.14

𝑤

3803.71 𝑥 0.00187

) (

0.415

)

0.14 1/3 0.00187 0.00237

= 2001.76 W/ m2 K

6.0 Menentukan koefisien transfer panas sisi tube Berdasarkan persamaan (2.2.3) 𝜋𝑑𝑖 2

𝑁

𝜇 0.014832

1183

𝐴𝑡 = 4 x 2𝑡 = x 2 = 0.1022 m2 4 Persamaan (2.2.4) sehingga 𝑚 205.78 𝜇𝑚 = 𝑡 = = 2.03 m/s maan (2.2.5) sehingga 𝜌𝑡 𝐴𝑡

992 𝑋 0.1022

Persamaan (2.2.5) sehingga

𝑅𝑒𝑡 =

𝜌𝑡𝜇𝑚𝑑𝑖 𝜇

=

992 𝑥 2.03 𝑥 0.1483 0.00066

= 45226.6

6.1 Pembahasan Berikut hasil perhitungan analisa alat penukar kalor heat exchanger 1-E-303 tipe shell dan tube pabrik 4 PT. Pupuk Kalimantan Timur di kota Bontang.

a.

Perpindahan panas yang terjadi dengan menggunakan material tube carbon

27

steel sebesar 2001.76 W/m2K (tube) dan 5707.46 W/m2K (shell), sedangkan apabila menggunakan material tube stainless stell 304 perpindahan panas yang terjadi sebesar 1950.78 W/m2K (tube) dan 5256.5 W/m2K (shell), terjadi penurunan transfer panas 2.55% (shell) dan 7.9% (tube). b.

Pressure drop yang terjadi dengan menggunakan material tube carbon steel sebesar 16193.2 pa / 2.35 psi (tube) dan 8188.98 pa / 1.19 psi (shell), sedangkan apabila menggunakan material tube stainless steel 304 sebesar terjadi penurunan tekanan 15589.54 pa / 2.26 pasi (tube) dan 6789.83 pa / 0.98 psi (shell), terjadi penurunan tekanan ± 3% (shell) dan ± 17% (tube).

c.

Dengan menggunakan material tube carbon steel, diameter dalam shell (Ds) yang diperlukan sebesar 954 mm dan jumlah tube (Nt) sebanyak 1183 buah, sedangkan apabila menggunakan material tube stainless steel 304 , diameter dalam shell (Ds) yang diperlukan sebesar 999 mm dan jumlah tube (Nt) sebanyak 1300 buah, terjadi kenaikan sebesar 4.72% (Ds) dan 9.89% (Nt).

d.

Dari

perhitungan diatas

dapat

dibuat tabel

perbandingan dengan

menggunakan material tube carbon steel dan stainless stell 304.

28

Tabel 4.1 Perbandingan Material Carbon Steel dan Stainless Steel No

Uraian

Carbon steel

Stainless steel

Keterangan

Watt/s

-

1

Heat duty

2

Uf

856.35

779.67

W/m2k

-8.95 %

3

Uc

1033.33

923.71

W/m2k

-10.61%

4

Af

8597092

Satuan

424.67

466.44

2

9.84 %

2

m

351.94

393.7

m

11.87 %

Overdesign

21

18

%

-14.29 %

7

Ds

954

999

mm

4.72 %

8

Nt

1183

1300

buah

9.89 %

9

De

0.01831

m

-

10

C

0.00635

m

-

11

Sisi shell

12

As

0.1562

0.1637

m2

4.80 %

13

Gs

428.11

408.49

kg/sm2

-4.58 %

14

Res

4200.16

4007.71

-

-4.58 %

15

ho

2001.76

1950.78

W/m2k

-2.55 %

16

Ps

16193.2

15589.54

Pa

-3.73 %

2.35

2.26

psi

-3.83 %

5

Ac

6

17 18

Sisi tube

19

At

0.1022

0.1122

m2

9.78 %

20

Ret

45226.6

41177

-

-8.95 %

21

Nub

380.42

350.36

-

-7.90 %

22

hi

5707.46

5256.5

W/m2k

-7.90 %

23

Pt

8188.98

6789.83

Pa

-17.09 %

1.19

0.98

psi

-17.65 %

24

29

30

31

32

33