desain he

TK-2203 OPERASI PERPINDAHAN KALOR

LAPORAN PERANCANGAN

GASKETED PLATE AND FRAME HEAT EXCHANGER

25/4/2015 IE Issued for Internal Review SD KSN AZA

TANGGAL DISIAPKAN

OLEH PENJELASAN CHECK APPR. DOSEN

PERANCANGAN GASKETED PLATE AND FRAME HEAT EXCHANGER

Indah Etikasari 13013016

Serra Delvira 13013029

Kezia Febriana 13013089

Khadijah Sayyidatun Nisa 13013091

LAPORAN 27

Perancangan Plate and Frame Heat Exchanger

2dari27

Daftar Isi

1 PENDAHULUAN 3

1.1 DESKRIPSI PROSES 3

1.2 PROCESS FLOW DIAGRAM PADA PROSES PENUKARAN PANAS 3

1.3 PROFIL PABRIK 4

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 6

3 METODOLOGI PERANCANGAN 7

3.1 ASUMSI-ASUMSI YANG DIGUNAKAN 7

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 13

4.1 HASIL 13

4.2 SKETSA HEAT EXCHANGER 13

4.3 TEMA SHEET HEAT EXCHANGER 15

5 ANALISIS 16

5.1 ANALISIS KELOGISAN PERANCANGAN 16

5.2 PARAMETER OPERASI PROSES HASIL PERANCANGAN 16

6 KESIMPULAN 16

7 REFERENSI 17

APPENDIX A – DATA FISIK ALIRAN 18

APPENDIX B – CONTOH PERHITUNGAN 19

APPENDIX C – DST 25


3dari27

1 PENDAHULUAN

1.1 Deskripsi Proses

Untuk menghasilkan amonia, diperlukan beberapa tahapan proses dan salah satunya

adalah tahap absorpsi gas CO2 yang dihasilkan dari reaktor Low Temperature Shift

Converter menggunakan aMDEA dan piperazin. Setelah proses absorpsi, larutan absorben

yang mengandung CO2 dimasukkan ke dalam stripper agar CO2 dapat dipisahkan, lalu lean

solution (larutan absorben yang telah bersih dari kandungan CO2) diumpankan kembali ke

dalam absorber. Karena kinerja dari stripper optimal pada temperatur tinggi, sedangkan

kinerja dari absorber optimal pada temperatur rendah, maka diperlukan heat exchanger

untuk menurunkan temperatur lean solution sebelum diumpankan kembali ke dalam

absorber. Terdapat 2 buah heat exchanger jenis plate and frame yang digunakan di PT.

Pupuk Iskandar Muda pada proses Main CO2 removal, yaitu Lean/Semi-lean Exchanger (61-

112-C) dan Lean Solution Cooler (61-110-C). Namun yang hanya akan ditinjau penulis

dalam perancangan desain adalah Lean Solution Cooler (61-110-C). Lean Solution Cooler

digunakan untuk menurunkan temperatur keluaran dari Lean/Semi-lean Exchanger sebelum

diumpankan kembali ke dalam absorber. Fluida servis yang digunakan pada Lean Solution

Cooler adalah Cooling Water.

1.2 Process Flow Diagram Pada Proses Penukaran Panas

Lean SolutionTout = 48oC = 321 KF = 220,1864 kg/s

Lean SolutionTin = 87oC = 360 KF = 220,1864 kg/s

Cooling WaterTin = 31,5oC = 304,5 KF = 388,889 kg/s

Cooling WaterTout = 52oC = 325 KF = 388,889 kg/s

Gambar 1.1. Process Flow Diagram unit Lean Solution Cooler di PT. Pupuk Iskandar Muda.

Keterangan: Process Flow Diagram di atas dibuat berdasarkan data laju alir dan temperatur yang

diperoleh dari laporan Kerja Praktik di PT. Pupuk Iskandar Muda.


4dari27

1.3 Profil Pabrik

PT Pupuk Iskandar Muda terletak di desa Desa Krueng Geukueh, Kecamatan

Dewantara, Kabupaten Aceh Utara, Provinsi Aceh. Lokasi pabrik PT Pupuk Iskandar Muda

berdampingan dengan pabrik PT Asean Aceh Fertilizer (AAF) dan pabrik gas alam cair PT

Arun NGL. PT PIM merupakan pabrik penghasil amonia dengan kapasitas produksi 1.170

ton/hari atau 386.000 ton/tahun dan urea dengan kapasitas produksi 1.725 ton/hari atau

570.000 ton/tahun. Gas CO2 yang dihasilkan dari reaktor Low Temperature Shift Converter

harus dipisahkan dari aliran gas sintesis agar jumlah metana yang dilewatkan pada

Methanator tidak bertambah. Bila jumlah metana pada Methanator tinggi, maka akan

menyebabkan bertambahnya jumlah konsumsi H2 pada Methanator sehingga jumlah reaktan

yang masuk ke Ammonia Converter berkurang dan menyebabkan hasil konversi amonia

pada Ammonia Converter ikut berkurang.

2 Data Perancangan Exchanger

2.1 Fluida Proses

2.1.1 Deskripsi Singkat

Methyl diethanolamine adalah suatu cairan jernih tidak berwarna atau berwarna kuning

pucat dengan bau amonia. Cairan ini dapat bercampur dengan air, alkohol dan benzena. Methyl

diethanolamine juga dikenal dengan nama N-methyl diethanolamina atau MDEA. Senyawa ini

memiliki rumus molekul CH3N(C2H4OH)2. MDEA tergolong amina tersier dan secara luas

digunakan sebagai sweetening agent dalam industri kimia, seperti kilang minyak, produksi

syngas dan gas alam. MDEA merupakan suatu fluida yang digunakan pada proses CO2

Pretreatment Unit (CPU) yang akan menurunkan konsentrasi CO2 sebelum memasuki proses

steam reformer. Selain itu, MDEA juga digunakan pada proses CO2 removal untuk menurunkan

konsentrasi CO2 setelah keluar dari steam reformer untuk proses pembuatan urea karena jika

konsentrasi CO2 tidak diturunkan, kinerja katalis pada sintesis amonia akan terganggu.

2.1.2 Komposisi dan Properti Fluida Proses

Komposisi fluida proses yang digunakan adalah 65,6% air dan 34,4% MDEA yang disebut

sebagai lean solution. Berikut properti dari fluida tersebut.

Tabel 2.1. Properti dari fluida proses dengan temperatur rata-rata inlet dan outlet 340,5 K

1. Massa Jenis 1.010,5 kg/m3

2. Kapasitas Panas Spesifik 3,884 kJ/ kg.0C


5dari27

3. Konduktivitas Termal 0,388 W/m.0C

4. Viskositas Inlet 1,09 mPa.s

5. Viskositas Outlet 2,55 mPa.s

6. Bilangan Prandtl 4

7. Berat Molekul 119,16 g/mol

8. Titik didih, pada 760 mm Hg 247,3°C

9. Tekanan uap, pada 20°C <0,01 mm Hg

10. Indeks Bias , nD, 20°C 1,4694

11. Titik Beku, pada 760 mmHg -21 °C

Sumber: Laporan Kerja Praktik PT Pupuk Iskandar Muda, Krueng Geukueh, Aceh Utara

2.1.3 Kondisi Aliran Fluida Proses

Laju alir massa= 792.671 kg/jam

Temperatur masuk=: 87oC

Temperatur keluar= 48oC

2.2 Service Fluid

2.2.1 Pertimbangan Dasar Pemilihan Service Fluid

Dalam perancangan gasketed plate and frame heat exchanger, service fluid yang

digunakan adalah air murni. Beberapa faktor yang membuat air menjadi service fluid yang baik

antara lain sangat berlimpah dan tidak mahal . Selain itu air juga mudah dalam penanganannya

dan aman digunakan . Air dapat membawa panas per unit volume dalam jumlah yang besar.

Selama proses operasi, air memiliki sifat tidak mengembang ataupun menyusut (volumenya)

pada perubahan suhu dalam range normal serta tidak terdekomposisi.

2.2.2 Komposisi dan Properti Service Fluid

Tabel 2.2. Properti dari Service Fluid pada temperatur rata-rata inlet dan outlet (314,75 K)

1. Densitas 992 kg/m3

2. Viskositas 0,0006365 Pa.s

3. Kapasitas panas spesifik 4.177 J/(kg.°C)

4. Bilangan Prandtl 18

5. Konduktivitas Termal 0,631 W/m.K

6. Berat molekul 18,015 g/mol


6dari27

7. Titik didih 100°C

8. Indeks refraktif 1,3325

Sumber: Laporan Kerja Praktik PT Pupuk Iskandar Muda

2.2.3 Kondisi Aliran Service Fluid

Laju alir massa= 1.400.000 kg/jam

Temperatur masuk= 31,5°C

Temperatur keluar= 52°C


7dari27

3 METODOLOGI PERANCANGAN

3.1 Asumsi-Asumsi yang Digunakan Tabel 3.1 Asumsi-asumsi yang digunakan dalam perancangan Plate and Frame Heat Exchanger

No. Proses Asumsi

1 Menentukan nilai sifat fisik

fluida.

Data fisik fluida proses dan fluida servis telah tersedia,

maka data tersebut akan digunakan. Diasumsikan sifat

fisik kedua fluida tidak terpengaruhi oleh suhu.

2 Menentukan jumlah kalor

yang berpindah.

Perpindahan panas pada sistem alat perpindahan kalor

dianggap berlangsung dalam keadaan tunak, tidak ada

panas yang hilang ke lingkungan.

3 Menentukan nilai koefisien

perpindahan panas

keseluruhan (U).

Nilai koefisien diasumsikan konstan sepanjang proses,

nilai awal (tebakan) diambil dari rentang nilai yang

telah tersedia pada tabel C.2.

4 Fluida proses Fluida proses merupakan larutan MDEA (methyl

diethanolamine solution) dan diasumsikan light

organic..

5 Fluida servis Komposisi fluida servis hanya air (H₂O).

6 Menentukan jumlah pelat

yang dibutuhkan

Diasumsikan luas 1 pelat sebesar 1,5 m²

3.2 Tahapan-Tahapan Perancangan

Mulai

Kapasitas kalor fluida (Cp), laju alir fluida (G), suhu

inlet, suhu outlet


8dari27

Apakah data cukup untuk mencari duty (jumlah panas yang dibutuhkan

untuk mengalir)?

Hitung panas yang mengalir.

Asumsikan data yang

kurang

Hitung log mean temperature difference

Tentukan log mean temperature correction factor

Tabel C.1 (appendix C)

Tentukan NTU (Number Transfer Unit)

Tentukan corrected log mean temperature difference

Tidak

Ya


9dari27

Tebak nilai overall heat transfer coeficient, Uo. (Tergantung pada macam

fluida yang dialirkan)

Tabel C.2

Hitung area yang dibutuhkan untuk mentransfer kalor, Q

Hitung jumlah plate yang dibutuhkanArea per plat

1.5 m²

Tentukan pola aliran fluida dalam alat penukar panas dan jumlah

pass

Hitung kecepatan fluida linier (m/s)

Hitung angka Reynold s untuk aliran fluida proses dan servisViskositas

fluida


10dari27

Tidak

Hitung koefisien perpindahan setiap aliran fluida,h

Pr fluida servis dan

proses

Hitung overall heat transfer coefficient, U dengan memperhitungkan Fouling

Factors

Tebal plate Δx , fouling

factor (dari gambar C.1), konduktivitas plate k(plate)

Hitung galat antara Uo dan U

Galat <10%

Hitung hilang tekan masing-masing aliranPanjang

lintasan Lp.

Hitung hilang tekan yang diakibatkan ekspansi dan kontraksi untuk kedua aliran

Ya


11dari27

Hitung total hilang tekan untuk kedua aliran

Rancang alat penukar panas plate and frame

Selesai

Gambar 3.1 diagram alir cara merancang sebuah plate and frame heat exchanger.

3.3 Heat Exchanger yang Digunakan Alat penukar panas yang digunakan pada proses ini adalah heat exchanger plate and frame

berjenis Gasketed. Pada alat ini, setiap pelat merupakan sebuah bagian terpisah yang

mempunyai konduktivitas termal tertentu dan disambungkan oleh gasket berkualitas tinggi untuk

menghindari kebocoran. Pelat-pelat yang telah disambungkan ini kemudian dilapisi bahan

insulator di bagian permukaan luar untuk mengurangi panas yang akan terbuang ke lingkungan.

3.4 Pertimbangan Dasar Pemilihan Jenis Heat Exchanger Kelebihan dari penggunaan Gasketed plate (plate and frame) heat exchanger adalah:

Pemeliharaan yang mudah dan murah.

Jumlah pelat yang digunakan fleksibel, dapat ditambah atau dikurangi.

Dapat memindahkan panas secara efisien karena koefisien perpindahan panas keseluruhan

lebih tinggi dibandingkan jenis heat exchanger lainnya.

Desain alat penukar panas ini kompak, tidak sebesar alat penukar panas berjenis lainnya.

Faktor fouling yang relatif rendah.

Cocok untuk fluida dengan viskositas yang tinggi.

Faktor koreksi temperatur yang relatif tinggi karena karakter aliran fluida menyerupai aliran

counter-current sebenarnya.


12dari27

Approach temperatur terendah adalah 1°C, lebih rendah dari shell and tube heat exchanger

yaitu 5-10°C.

Namun, kekurangan gasketed plate heat exchanger adalah :

Tidak cocok untuk tekanan fluida diatas 30 bar atau perbedaan tekanan kedua fluida yang

sangat besar.

Fluida dapat mengalami hilang tekan yang besar diakibatkan jalur pada alat penukar panas

relatif kecil.

Rentang temperatur operasi tidak besar karena tergantung pada gasket yang digunakan

(tabel C.3. Appendix C)


13dari27

4 Hasil Perancangan

4.1 Hasil Tabel 4.1. Hasil Perancangan Plate and Frame Heat Exchanger

4.2 Sketsa Heat Exchanger

No. Parameter Nilai Satuan

1. Total Panas yang

Dipindahkan

33.352,953 kW

2. Luas Perpindahan Panas 38,.294 m2

3. Dekik Perpindahan Panas

(Pintch)

20,5 C

4. Koefisien Perpindahan

Panas Keseluruhan (U)

3.608,784 W/m2.C

5. Hilang tekan fluida proses 0,508 bar

6. Hilang tekan service fluid 1,152 bar

Dimensi Alat Penukar Panas

1. Jumlah pelat 273 buah

2. Number of channel per

pass

136 buah

3. Panjang pelat 1,9 m

4. Lebar pelat 0,75 m

5. Tebal pelat 0,00075 m

6. Jarak antarpelat 0,003 m


14dari27

Gambar 4.2.1 Plate and frame heat exchanger hasil perancangan

Gambar 4.2.2 Tampak samping plate and frame heat exchanger

Gambar 4.2.3 Tampak dalam plate and frame heat exchanger


15dari27

4.3 TEMA Sheet Heat Exchanger

Gambar 4.1. TEMA Sheet untuk Gasketed Plate Heat Exchanger.

PLATE & FRAME HEAT EXCHANGER SPECIFICATION Sheet 1 of 1

1

2

3 Model

4

5 ft2 f t2

6

7

8 Fluid Allocation

9 Fluid Circulated

10 Total Fluid Entering

11 Vapor (In/Out)

12 Liquid

13 Steam

14 Non-Condensables

15 Fluid Vaporized or Condensed

16 Steam Condensed

17 Temperature

18 Density

19 Viscosity

20 Vapor Molecular Weight

21 Specif ic Heat

22 Thermal Conductivity

23 Latent Heat

24 Velocity X Max. Min.

25 Pressure Drop, Clean (Allow ./Calc.)

26 Fouling Resistance

27 Heat Exchanged C C

28

29

30

31

32

33 in.

34 In

35 Out

36 Intermediate

37

38

39 Frame Capacity (Max. No. of Plates)

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49 kg kg

50

51

52

Location Banda Aceh Unit P.O. No.

PT PUPUK

ISKANDAR MUDAProject No. *

Service Cooling Water Exchanger Equipment No. 61-110-C

Type Gasketed Frames/Unit One Connected in Single

Manufacturer * P190 Mfr Ref. No. * No. Req'd

PERFORMANCE OF ONE UNIT

HOT SIDE COLD SIDE

MDEA Solution Cooling Water

kg/s 220.186 388.889

P&ID No. Plot Plan No. Other Ref. Dw g No.

Surface/Unit * Surface/Frame *

kg/s ---- ---- ---- ----

kg/s 220.186 220.186 388.889 388.889

kg/s ---- ---- ---- ----

kg/s ---- ---- ---- ----

kg/s ---- ---- ---- ----

kg/s ---- ---- ---- ----

°C 87 48 31.5 52

kg/m3 1010.5 1010.5 991.5 991.5

Pa.s 0.00109 0.00255 0.00077 0.00053

---- ---- ---- ----

J/kg ---- ----

m/s * *

J/(kg.°C) 3884 3884 4177.0 4177.0

W/m.K 0.388 0.388 0.631 0.631

33,353 kW Log MTD (Uncorrected) 24.60 Log MTD (Corrected) 23.86

bar 0.20715 * 0.41505 *

W/m2.K 10000 8000

CONSTRUCTION AND MATERIALS

Design Pressure bar * *

Test Pressure bar * *

Corrosion Allow ance * *

* *

* *

Design Temperature °C * *

Number of Passes per Frame One *

Impingement Protection?

No. of Plates 261 295

---- ----

rv2, Inlet/Outlet lb/ft·s

THK, in. C.A., in.

Plates Stnless Steel * Connections Stnless Steel

PART MATERIAL§ THK, in. C.A., in. PART MATERIAL§

End Cover Carbon Steel * Carrying Bar Carbon Steel

Plate Gaskets Carbon Steel * Frame Carbon Steel

§ Stress Relieved (Mark "SR') and/or Radiographed (Mark 'XR') Parts

OSHA Type Protective Shroud? Material: Carbon Steel Insulation: Heat Conservation

Carbon Steel Carbon Steel

Cleaning: Painting:

Code Requirements: Stamp?

Remarks 1. Items marked w ith an asterisk (*) to be completed by Vendor.

Client Spec.: Weights: Empty Frame * Filled w ith Water *

ConnectionsSize &

Rating

Re

v.

No

.


16dari27

5 ANALISIS

5.1 Analisis Kelogisan Perancangan Dimensi efektif hasil perancangan plate and frame heat exchanger ini adalah panjang

pelat 1,9 m, lebar pelat 0,75 m, dan tebal pelat 0,00075 m. Didapat luas penampang efektif satu

pelat bernilai 1,425 m2. Dengan jarak antarpelat 0,003 m dan jumlah pelat 273, didapat volume

heat exchanger efektif sebesar 1,390 m3. Namun karena diperlukan luas berlebih untuk port

aliran fluida proses dan servis, pelat didesain berukuran 2 x 0,85 m sehingga didapat volume

heat exchanger sebesar 1,659 m3. Desain ini logis karena tidak terlalu besar dan tidak memakan

tempat. Koefisien perpindahan panas overall yang didapat dari desain yaitu sebesar 3608,78

W/m2.K. Hasil ini sesuai dengan literatur untuk gasketed plate exchangers dengan fluida panas

light organic dan fluida dingin cooling water, yaitu pada rentang 2000-4500 W/m2.K.

5.2 Parameter Operasi Proses Hasil Perancangan Menurut buku Coulson and Richardson’s Chemical Engineering Design, ada beberapa

parameter operasi yang harus diperhatikan dalam merancang heat exchanger jenis plate and

frame, yaitu:

1. Ketebalan pelat = 0,5 – 3 mm

2. Jarak antarpelat = 1,5- 5 mm

3. Luas permukaan pelat = 1,5 m2

4. Rasio lebar : panjang = 2 – 3

5. Ukuran heat exchanger = 0,03 – 1500 m2

6. Laju alir maksimum = 2500 m3/h

6 KESIMPULAN Desain heat exchanger jenis plate and frame yang telah dirancang sudah memenuhi kriteria

parameter-parameter operasi berdasarkan Coulson and Richardson’s Chemical Engineering

Design dengan rincian sebagai berikut :

Panjang pelat = 1,9 m (efektif); 2 m (desain).

Lebar pelat = 0,75 m (efektif); 0,85 m (desain).

Tebal pelat = 0,00075 m

Jarak antarpelat = 0,003 m

Jumlah pelat = 273 pelat

Port diameter = 0,25 m


17dari27

Koefisien perpindahan panas overall = 3608,784 W/m2.K

Panas yang dipindahkan = 33352,95 kW

Selain itu, perhitungan koefisien perpindahan panas overall juga sudah sesuai literatur dengan

jenis-jenis fluida yang digunakan. Heat exchanger ini efektif dan efisien dalam memindahkan

panas dan hilang tekan yang dihasilkan juga tidak terlalu besar untuk ukuran plate and frame

heat exchanger.

7 REFERENSI

No. Judul Dokumen Pengarang Tahun

terbit.

1. Coulson and Richardson’s Chemical

Engineering Series RK Sinnot 2005

2. Laporan Kerja Praktek PT Pupuk Iskandar

Muda Edy Agus Mulyono 2012

3. Process Heat Transfer

G. F. Hewitt

G. L. Shires

T. R. Bott

1994

4. Transport Processes and Separation

Process Principles 4th Edition

Christie John

Geankoplis 2003


18dari27

Appendix A – Data Fisik Aliran

Data Fisik Fluida Kerja/Hot Fluid Inlet (Lean-solution)

Data Fisik Lean-solution

Massa Jenis (kg/m3) 1010,5

Viskositas (Pa.s) 0,00182

Cp (J/kg.K) 3884

Pr 18,19455

k (W/m.K) 0,388

Data Fisik Fluida Servis/Cold Fluid Inlet (Cooling Water)

Data Fisik Cooling Water

Massa Jenis (kg/m3) 990,5

Viskositas (Pa.s) 0,0006365

Cp (J/kg.K) 4,177

Pr 4,20968

k (W/m.K) 0,631


19dari27

Appendix B – Contoh Perhitungan

1. Hitung nilai kalor yang berpindah (Q)

𝑄 = 𝑚 𝑥 𝐶𝑝 𝑥 ∆𝑇

Q = 220,186 x 3884 x (87-48)

Q = 33352,95 x 103 W

2. Hitung nilai perbedaan temperatur logaritmik (ΔTLMTD)

∆𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 = ∆𝑇2 − ∆𝑇1

𝑙𝑛 ∆𝑇2

∆𝑇1

∆𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 = (87 − 52) − (48 − 31,5)

ln(87−52)

(48−31,5)

ΔTLMTD = 24,6015

3. Tentukan nilai NTU

𝑁𝑇𝑈 = (𝑇𝑜 − 𝑇𝑖)

∆𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷

𝑁𝑇𝑈 = (87 − 48)

24,6015= 1,585

4. Tentukan nilai faktor koreksi logaritmik. Berdasarkan grafik log mean temperature

correction factor (lihat Gambar 1 Appendix C), dengan nilai NTU = 1,585, maka

diperoleh nilai fouling factor (Ft) sebesar 0,97.

5. Hitung nilai ΔTM

∆𝑇𝑀 = 𝐹𝑡 𝑥 ∆𝑇𝐿𝑀

𝛥𝑇𝑀 = 0,97 𝑥 24,6015 = 23,86

6. Tebak nilai U0

Selanjutnya, mulai dari tahap 6 perlu dilakukan iterasi, karena nilai U tidak diketahui.

Ambil nilai tebakan awal U0 = 3000 W/m2.K.

7. Hitung total luas area yang dibutuhkan

𝐴𝑟𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑 = 𝑄

𝑈0 𝑥 ∆𝑇𝑀

𝐴𝑟𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑 = 33352,95 𝑥 103

3000 𝑥 24,601 = 465,89 𝑚2


20dari27

8. Hitung jumlah pelat yang dibutuhkan dan jumlah channel per pass.

Untuk menghitung jumlah pelat yang dibutuhkan, maka diperlukan luas pelat yang

digunakan. Spesifikasi desain pelat plate and frame heat exchanger yang kami rancang

adalah :

Konduktivitas termal pelat = 16,3 W/m.K (Bahan pelat stainless steel)

Panjang pelat = 1,9 m

Lebar pelat = 0,75 m

Luas pelat = 1,425 m2

Jarak antarpelat = 0,003 m

Tebal pelat = 0,00075 m

hf, cold (cooling water) = 8000 W/m2.K

hf, hot (light organics) = 10000 W/m2.K

𝑁 = 𝐴𝑟𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑

𝐴𝑝𝑒𝑙𝑎𝑡

𝑁 = 465,89 𝑚2

1,425 𝑚2= 326,94 𝑝𝑒𝑙𝑎𝑡

Pada rancangan desain plate and frame heat exchanger, jumlah pelat yang dibutuhkan

harus ganjil agar jumlah channel per pass bernilai genap sehingga plate and frame heat

exchanger yang didesain memiliki penutup.

Maka, jumlah pelat yang dibutuhkan dibulatkan menjadi 327 pelat.

Jumlah channel per pass yang dibutuhkan = (𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑝𝑒𝑙𝑎𝑡−1)

2 =

(327−1)

2= 163

Channel cross sectional area = jarak antar pelat x lebar pelat

= 0,003 x 0,75

= 0,00225 m2

Hydraulic mean diameter (de) = 2 x channel cross sectional area

= 2 x 0,003

= 0,006 m2

9. Tentukan rejim aliran dengan cara menghitung bilangan Reynold.

Hitung channel velocity terlebih dahulu.

𝐶ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦 = 𝑚

(𝜌 𝑥 𝑐ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙 𝑐𝑟𝑜𝑠𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑥 𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 𝑜𝑓 𝑐ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟 𝑝𝑎𝑠𝑠)

a. Fluida proses

Channel velocity = 220,1864

(1010,5 𝑥 0,00225 𝑥 163)= 0,594 m/s


21dari27

b. Fluida servis

Channel velocity = 388,89

(992 𝑥 0,00225 𝑥 163)= 1,0695 m/s

Setelah mendapatkan channel velocity, maka nilai bilangan Reynold dapat dihitung

𝑁𝑅𝑒 = 𝜌𝑢𝑝𝑑𝑒

𝜇

a. Fluida proses

𝑁𝑅𝑒 = 1010,5 𝑥 0,594 𝑥 0,006

0,00182= 1979,248

b. Fluida servis

𝑁𝑅𝑒 = 992 𝑥 1,0695 𝑥 0,006

6,365 𝑥 10−4= 9995,586

Dari perhitungan bilangan Reynold, maka dapat disimpulkan bahwa rejim aliran

fluida dalam heat exchanger adalah turbulen.

10. Hitung koefisien perpindahan panas film

ℎ𝑝𝑑𝑒

𝑘𝑓= 0,26𝑅𝑒0,5𝑃𝑟0,4(

𝜇

𝜇𝑤)0,14

Karena rejim aliran fluida adalah turbulen, maka nilai 𝜇

𝜇𝑤 diasumsikan 1.

a. Fluida proses

ℎ𝑝𝑑𝑒

𝑘𝑓= 0,26 𝑥 1979,2480,5 𝑥 4,210,4 𝑥 10,14

hp = 174355,08 W/m2.K

b. Fluida servis

ℎ𝑝𝑑𝑒

𝑘𝑓= 0,26 𝑥 9995,5860,5 𝑥 18,1950,4 𝑥 10,14

ℎ𝑝 = 897142,86 W/m2.K

11. Hitung overall coefficient

1

𝑈= 2,7786 𝑥 10−4

𝑼 = 𝟑𝟓𝟗𝟖, 𝟗𝟎𝟒 W/m2.K


22dari27

Hitung galat antara U dan U0

𝐺𝑎𝑙𝑎𝑡 = |𝑈 − 𝑈0|

𝑈 𝑥 100%

𝐺𝑎𝑙𝑎𝑡 = |3598,904 − 3000|

3598,904 𝑥 100%

𝑮𝒂𝒍𝒂𝒕 = 𝟏𝟔, 𝟔𝟒𝟏%

Karena galat yang dihasilkan cukup besar, maka perlu dilakukan iterasi untuk

menghitung nilai overall coefficient. Hasil iterasi dapat dilihat dalam tabel berikut :

ITERASI-1 U0 = 3598,904 W/m2.K

A = 388,357 m2

Jumlah pelat = 272,531

= 273

number of channel per pass = 136

channel velocity

fluida proses = 0,7121 m/s

fluida servis = 1,2818 m/s

Reynold number, Re

fluida proses = 2372,187

fluida servis = 11980,00

koefisien film plat (hp)

fluida proses = 196135,5 W/m2.K

fluida servis = 1009213,9 W/m2.K

overall coefficient

1/U = 2,77 x 10-4

U = 3608,78 W/m2.K

Error = 0,2745 %

ITERASI – 2

U0 = 3608,78 W/m2.K

A = 387,294 m2

Jumlah pelat = 271,785

= 273

number of channel per pass = 136

channel velocity

fluida proses = 0,7121 m/s

fluida servis = 1,2818 m/s

Reynold number, Re

fluida proses = 2372,187

fluida servis = 11980,00


23dari27

koefisien film plat (hp)

fluida proses = 196135,52 W/m2.K

fluida servis = 1009213,98 W/m2.K

overall coefficient

1/U = 2,77 x 10-4

U = 3608,784 W/m2.K

Error ≈ 0 %

Hasil iterasi ke-3 sudah memberikan galat yang sangat kecil, sehingga tidak perlu

dilakukan iterasi kembali untuk menentukan nilai U.

12. Hitung pressure drop

a. Fluida proses

𝑗𝑓 = 0,6𝑅𝑒−0,3

𝑗𝑓 = 0,6 𝑥 2372,187−0,3

𝑗𝑓 = 0,05829

𝑃𝑎𝑡ℎ 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ = 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑒 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ 𝑥 𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 𝑜𝑓 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑒𝑠

𝑃𝑎𝑡ℎ 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ = 1,9 𝑥 1 = 1,9 𝑚

Kami merancang nilai port diameter = 0,25 m, sehingga

𝑃𝑜𝑟𝑡 𝑎𝑟𝑒𝑎 = 0,25 𝑥 𝜋 𝑥 0,252 = 0,04906 𝑚2

∆𝑃𝑝 = 8 𝑥 0,05829 𝑥 (1,9

0,006) 𝑥

1010,5 𝑥 0,71212

2

∆𝑃𝑝 = 37832,99 N/m2

Velocity through port (upt) = 𝑤

𝜌 𝑥 𝐴𝑝 =

220,1864

1010,5 𝑥 0,04906 = 4,44 m/s

∆𝑃𝑝𝑡 = 1,3 𝑥 (1010,5 𝑥 4,442)

2 x 1 = 12955,63 N/m2

Total pressure drop = ∆𝑃𝑝 + ∆𝑃𝑝𝑡 = 37832,99 + 12955,63 = 50788,62𝑁

𝑚2

= 0,50788 bar


24dari27

b. Fluida servis

𝑗𝑓 = 0,6𝑅𝑒−0,3

𝑗𝑓 = 0,6 𝑥 11980−0,3

𝑗𝑓 = 0,0359

𝑃𝑎𝑡ℎ 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ = 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑒 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ 𝑥 𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 𝑜𝑓 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑒𝑠

𝑃𝑎𝑡ℎ 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ = 1,9 𝑥 1 = 1,9 𝑚

Kami merancang nilai port diameter = 0,25 m, sehingga

𝑃𝑜𝑟𝑡 𝑎𝑟𝑒𝑎 = 0,25 𝑥 𝜋 𝑥 0,252 = 0,04906 𝑚2

∆𝑃𝑝 = 8 𝑥 0,0359 𝑥 (1,9

0,006) 𝑥

992 𝑥 1,28182

2

∆𝑃𝑝 = 73993,23 N/m2

Velocity through port (upt) = 𝑤

𝜌 𝑥 𝐴𝑝 =

388,889

998 𝑥 0,04906 = 7,994 m/s

∆𝑃𝑝𝑡 = 1,3 𝑥 (992 𝑥 7,9942)

2 x 1 = 41188,157 N/m2

Total pressure drop = ∆𝑃𝑝 + ∆𝑃𝑝𝑡 = 50788,62 + 41188,157 = 115181,39𝑁

𝑚2

= 1,1518 bar


25dari27

Appendix C – dst

Gambar C.1. Log mean temperature correction factor untuk plate and frame heat exchanger.

(Sumber: Coulson and Richardson’s Chemical Engineering Design Volume 6 page 760)


26dari27

Tabel C.1. Nilai fouling factor untuk plate and frame heat exchanger.


Tabel C.2. Overall heat-transfer coefficient untuk plate and frame heat exchanger.



27dari27

Tabel C.3. Typical gasket materials untuk plate and frame heat exchanger.


desain he

Documents

proses main co2 removal

tahap absorpsi gas co2

lean solution larutan

proses penukaran panas

lean solution cooler

lean solution cooler

mengandung co2 dimasukkan

penjelasan check appr