LAPORAN TUGAS KHUSUS

PERANCANGAN ULANG HE-6206 DI PLANT PVC-2 DARI WATER COOLING SYSTEM MENJADI AIR COOLED HEAT EXCHANGER (ACHE)

Disusun oleh:

JONATHAN/ 1206202040

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK, 2015

ii

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI ............................................................................................................................. ii

BAB 1 PENDAHULUAN ......................................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ................................................................................................................ 1

1.2 Rumusan Masalah............................................................................................................ 1

1.3 Tujuan ............................................................................................................................. 2

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................................ 3

2.1 PENGATURAN DAN DESAIN MEKANIKAL ACHE .................................................. 3

2.1.1 Fan ......................................................................................................................... 5

2.1.2 Konstruksi Fin Tube................................................................................................ 6

2.1.3 Tubing .................................................................................................................... 6

2.1.4 Material Konstruksi................................................................................................. 6

BAB 3 PERHITUNGAN DESAIN ........................................................................................... 7

3.1 Data Fluida Panas (Udara Proses) .................................................................................... 7

3.2 Data Fluida Dingin (Udara Ambien) ................................................................................ 7

3.3 Asumsi Dasar ACHE yang Digunakan ............................................................................. 7

3.4 Langkah Perhitungan ....................................................................................................... 8

BAB 4 PENUTUP ................................................................................................................... 14

4.1 Kesimpulan ................................................................................................................... 14

4.2 Saran ............................................................................................................................. 15

REFERENSI ........................................................................................................................... 17

iii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Typical Side Elevations of Air Coolers .................................................................. 3

Gambar 2.2 Typical Plan Views of Air Coolers ......................................................................... 4

Gambar 2.3 Layout Posisi Miring ............................................................................................. 5

Gambar 3.1 Grafik untuk Mencari Nilai f ................................................................................. 9

Gambar 3.2 Grafik untuk Mencari Nilai Faktor Y dan B ......................................................... 10

Gambar 3.3 Grafik untuk Mencari Nilai Faktor J .................................................................... 10

Gambar 3.4 Grafik untuk Mencari Nilai ha ............................................................................. 11

Gambar 3.5 Grafik untuk Mencari Nilai Fp ............................................................................. 12

Gambar 3.6 Grafik untuk Mencari Nilai DR ............................................................................ 12

iv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Kelebihan dan Kekurangan ACHE Tipe Induced Draft .............................................. 4

Tabel 2.2 Kelebihan dan Kekurangan ACHE Tipe Forced Draft ............................................... 5

Tabel 3.1 Data Fin Tube untuk Tube dengan OD 1 inch ............................................................ 7

1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Di bangku perkuliahan, seorang mahasiswa teknik kimia pasti mendapatkan

pelajaran mengenai Perpindahan Kalor di mana mahasiswa belajar mengenai

konduksi, konveksi dan radiasi secara lebih mendalam serta hal-hal seperti LMTD,

koefisien perpindahan kalor (U), bilangan-bilangan tak berdimensi yang berkaitan

dengan perpindahan panas dan pengantar mengenai heat exchanger. Barulah di mata

kuliah Perancangan Alat Proses, proses pemilihan tipe dan perancangan sebuah heat

exchanger lebih intens dibahas.

Dengan melakukan On The Job Training (OJT), seorang mahasiswa

berkesempatan untuk mengaplikasikan ilmu perpindahan kalor dan perancangan alat

proses-nya, di mana data yang digunakan adalah data proses yang sudah berjalan di

sebuah pabrik komersial, seperti yang terjadi pada penulis dan rekan.

Perusahaan tempat penulis melakukan OJT, PT Asahimas Chemical, memiliki

rencana untuk mengganti Shell and Tube Heat Exchanger dengan pendingin air atau

water cooling system (HE-6206) di Plant PVC-2 yang sudah dalam kondisi tidak

prima lagi menjadi Air Cooled Heat Exchanger. HE-6206 sendiri berfungsi untuk

mendinginkan udara proses panas yang berasal dari blower untuk kemudian

digunakan pada proses selanjutnya. Pihak ASC bertanya-tanya apakah penggantian

jenis HE dari WCS menjadi air cooler dapat membuat proses menjadi lebih efisien

dan ekonomis. Karena itu, penulis dan rekan diberikan tugas khusus oleh Pak Sucipto

untuk merancang sebuah Air Cooled Heat Exchanger yang mana nanti hasilnya akan

dijadikan bahan pertimbangan.

1.2 Rumusan Masalah

Apa kelebihan Air Cooled Heat Exchanger (ACHE) dibandingkan dengan

jenis HE yang lama dengan Water Cooling System (WCS)?

Apa tipe ACHE yang dipilih dan mengapa?

Bagaimana prosedur perhitungan untuk mendesain sebuah ACHE?

Bagaimana spesifikasi ACHE hasil perancangan?

2

1.3 Tujuan

Selaras dengan latar belakang yang telah dikemukakan, tujuan pihak kampus

mengharuskan adanya pemberian tugas khusus ini, selain sebagai sebagian syarat

kelulusan dan mendapatkan nilai untuk mata kuliah Kerja Praktek, adalah untuk

melatih sekaligus memberikan tantangan kepada mahasiswa untuk memecahkan

permasalahan nyata dengan data-data real (data proses plant komersial) sehingga

mahasiswa dapat merasakan bagaimana pekerjaan dan kehidupan seorang chemical

engineer di pabrik nantinya.

Sedangkan goal dari tugas khusus yang diberikan pembimbing lapangan

adalah untuk merancang sebuah Air Cooled Heat Exchanger untuk menggantikan HE-

6206 di Plant PVC-2 yang mana saat ini berupa Shell and Tube Heat Exchanger

dengan fluida pendinginnya adalah air (Water Cooling System). Dengan data

spesifikasi fluida panas (udara proses) yang sama, penggantian WCS menjadi Air

Cooler diharapkan lebih efisien dan ekonomis.

3

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 PENGATURAN DAN DESAIN MEKANIKAL ACHE

Sebuah Air Cooled Heat Exchanger (ACHE) adalah perangkat untuk membuang

panas dari fluida langsung ke udara ambien. Hal ini berbeda dengan membuang panas ke air

dan kemudian baru membuangnya ke udara, seperti pada Shell and Tube Heat Exchanger

(STHE) dan sistem wet cooling tower.

Keuntungan yang jelas dari sebuah ACHE adalah bahwa perangkat ini tidak

memerlukan air, yang berarti bahwa pabrik yang membutuhkan kapasitas pendinginan besar

tidak perlu berlokasi dekat pasokan air pendingin. Sebuah ACHE bisa berukuran sekecil

radiator mobil atau cukup besar untuk membuang panas turbine exhaust steam condensation

dari pembangkit listrik 1.200 MW.

Gambar 2.1 dan Gambar 2.2 menunjukkan elevasi umum dan gambaran dari

horizontal ACHE yang populer digunakan. Komponen dasar ACHE terdiri dari satu atau

lebih bagian tube yang dilengkapi oleh satu atau lebih axial flow fan, fan driver, pengurang

kecepatan, serta struktur penutup dan pendukung.

Gambar 2.1 Typical Side Elevations of Air Coolers

ACHE diklasifikasikan sebagai forced draft ketika bagian tube terletak di bagian

discharge dari fan, dan sebagai induced draft ketika bagian tube terletak pada sisi suction

dari fan. Kelebihan dan kekurangan masing-masing tipe dapat dilihat pada Tabel 2.1 dan

Tabel 2.2.

4

Gambar 2.2 Typical Plan Views of Air Coolers

Tabel 2.1 Kelebihan dan Kekurangan ACHE Tipe Induced Draft

Kelebihan Kekurangan

Distribusi udara yang lebih baik di

sepanjang bagian.

Horsepower yang lebih besar karena fan

terletak di udara panas.

Kemungkinan yang lebih kecil dari udara

panas efluen be-resirkulasi ke bagian

intake. Udara panas dibuang ke atas sekitar

2,5 kali kecepatan intake, atau sekitar 1500

ft/ min.

Suhu udara efluen harus dibatasi sampai

200F, untuk mencegah potensi kerusakan

pada fan blade, bearing, V-belt, atau

komponen mekanis lainnya dalam aliran

udara panas.

Efek cuaca yang lebih kecil, karena 60%

dari bagian face area tertutup.

Akses yang lebih sulit untuk pemeliharaan

komponen fan drive, yang mungkin harus

dilakukan dalam udara panas yang

dihasilkan oleh konveksi alami.

Peningkatan kapasitas ketika terjadi fan

failure, karena efek natural draft stack jauh

lebih besar dengan induced draft.

Untuk inlet fluida proses di atas 350F,

desain forced draft harus digunakan; jika

tidak, fan failure bisa mengakibatkan fan

blade dan bearing bekerja pada suhu yang

berlebihan.

Posisi horizontal adalah posisi ACHE yang paling umum digunakan, dan umumnya

yang paling ekonomis. Untuk fluida dengan potensi pembekuan, tube harus miring

setidaknya 1/8 inch per kaki terhadap outlet header. Karena dalam banyak kasus tidak akan

ada masalah terkait dengan pembekuan, dan lebih mahal untuk merancang sebuah unit

dengan kemiringan, sebagian pendingin dirancang dengan posisi tingkat.

5

Tabel 2.2 Kelebihan dan Kekurangan ACHE Tipe Forced Draft

Kelebihan Kekurangan

Distribusi udara yang lebih baik di

sepanjang bagian. Horsepower yang lebih

rendah karena fan berada di udara dingin.

Distribusi udara yang lebih buruk di

sepanjang bagian.

Aksesibilitas yang lebih baik dari

komponen mekanis untuk pemeliharaan.

Kemungkinan terjadinya resirkulasi udara

panas besar, karena kecepatan discharge

yang rendah dan tidak adanya stack.

Adaptasi yang mudah untuk resirkulasi

udara hangat pada iklim dingin.

Kapabilitas natural draft yang rendah

ketika terjadi fan failure karena efek stack

yang kecil.

Efek cuaca lebih besar.

Posisi vertikal kadang digunakan ketika drainase dan head maksimum diperlukan,

seperti untuk layanan kondensasi. Posisi miring, seperti posisi vertikal, digunakan untuk

layanan kondensasi juga, memungkinkan drainase yang positif. Seringnya, posisi miring

adalah 30. Sedangkan A-frame biasanya miring 60 dari horizontal (Gambar 2.3).

Gambar 2.3 Layout Posisi Miring

2.1.1 Fan

Ukuran fan berkisar dari diameter 3 ft sampai 28 ft. Namun, diameter 14 ft sampai 16

ft adalah diameter terbesar yang biasanya digunakan. Fan driver bisa berupa motor listrik,

turbin uap, motor hidrolik, atau mesin dengan bahan bakar gas/bensin. Sebuah peredam

kecepatan, seperti V-belt drive atau reduction gear box, diperlukan untuk menyesuaikan

kecepatan output driver dengan kecepatan relatif lambat dari axial flow fan. Kecepatan ujung

fan biasanya 12.000 ft/menit atau kurang. Praktek umum adalah dengan menggunakan V-belt

drive hingga sekitar 30 bhp dan gear drive pada daya yang lebih tinggi. Ukuran individual

driver biasanya terbatas pada 50 hp.

Konfigurasi dua fan bay populer dijumpai, karena mereka memberikan tingkat

keamanan terhadap fan atau driver failure dan juga metode pengendalian oleh fan staging.

6

Fan coverage adalah rasio area proyeksi fan ke bagian face yang dilayani oleh fan tersebut.

Praktek yang baik adalah untuk menjaga rasio ini di atas 0,40 bila memungkinkan karena

rasio yang lebih tinggi meningkatkan distribusi udara di seluruh muka bagian tube. Area

muka (face area) adalah daerah rencana/estimasi dari permukaan perpindahan panas yang

tersedia untuk aliran udara pada bagian face.

2.1.2 Konstruksi Fin Tube

Perangkat perpindahan panas adalah pada bagian tube, yang merupakan rakitan dari

side frame, tube support, header, dan fin tube. Sirip (fin) aluminium biasanya diterapkan pada

tube untuk memberikan permukaan ekstensi pada sisi udara, untuk mengimbangi koefisien

perpindahan panas yang relatif rendah dari udara ke dalam tube. Ada 4 tipe konstruksi sirip

yang umum, yaitu: tension-wrapped, embedded, extruded, dan welded.

Tension-wrapped mungkin adalah jenis sirip yang paling umum digunakan karena

alasan ekonomi. Tension-wrapped tubing umum digunakan untuk layanan kontinu dengan

suhu di bawah 400F. Extruded fin adalah ikatan mekanis antara inner tube yang ter-ekspos

ke proses dan outer tube atau sleeve (biasanya aluminium) yang diekstrusi menjadi sirip yang

tinggi (high fin). Embedded fin adalah sebuah fin aluminium atau baja yang berlekuk ke

dalam base tube. Embedded fin digunakan dalam layanan suhu siklik dan tinggi. Tipe lainnya

dari fin tube yang tersedia adalah soldered, edge wrapped, dan serrated tension wrapped.

2.1.3 Tubing

Cooler secara umum diproduksi dengan panjang tube dari 6 ft sampai 50 ft dan lebar

bay dari 4 ft sampai 30 ft. Penggunaan tube yang lebih panjang biasanya berujung pada

desain yang lebih murah dibandingkan penggunaan tube yang lebih pendek.

Diameter base tube adalah tube dengan OD 5/8 inch sampai 11/2 inch dengan

ketinggian fin dari 1/2 inch sampai 1 inch, fin spacing 7 sampai 11 per inch, menyediakan

extended finned surface 12 sampai 25 kali dari permukaan luar base tube (sebuah tube

dengan OD 1 inch adalah yang paling populer, dan fin yang paling umum adalah fin dengan

tinggi 1/2 inch atau 5/8 inch).

Tube biasanya diatur dalam triangular pitch dengan ujung fin dari tabung yang

berdekatan menyentuh atau dipisahkan oleh 1/16 inch sampai 1/4 inch. Pencocokan dari

bagian tube ke sistem fan dan persyaratan perpindahan panas biasanya menghasilkan bagian

yang memiliki kedalaman 3 sampai 8 baris fin tube, dengan 4 baris yang paling umum.

2.1.4 Material Konstruksi

Bahan konstruksi umum untuk header adalah carbon steel kualitas firebox, ASTM

SA-515-70, SA-516-70. Tube umumnya terbuat dari ASTM SA-214 (ERW), SA-179

(SMLS), carbon steel. Kisi-kisi (louver) umumnya carbon steel atau aluminium, dengan

konstruksi carbon steel yang paling umum dan paling ekonomis. Fin biasanya aluminium.

Baik stainless dan brass alloy memiliki aplikasi mereka masing-masing, tetapi lebih mahal

daripada carbon steel.

7

BAB 3

PERHITUNGAN DESAIN

3.1 Data Fluida Panas (Udara Proses)

Variabel Satuan Internasional

(SI) British Unit

Laju Alir Massa (Wt) 3822 kg/h 8426,1 lb/h

Suhu Masuk (Tin) 88oC 190,4

oF

Suhu Keluar (Tout) 40oC 104

oF

Fouling Factor (rdt) 0,0008 m2.h.

oC/kcal 0,004 ft

2.h.

oF/Btu

Heat Load ( ) 45900 kcal/h 182100 Btu/h

Sifat Fisik pada Tavg = 147,2oF (64

oC)

Cp 0,2406

0,02

k 0,01646

3.2 Data Fluida Dingin (Udara Ambien)

3.3 Asumsi Dasar ACHE yang Digunakan Tipe : forced draft, 2 kipas

Fin Tube : 1 inch OD dengan 5/8 inch high fins

Tube Pitch : 2,5 inch triangular () Bundle Layout : 3 tube passes, 4 rows of tubes. 6 ft long tubes

Pressure drop maksimum yang diperbolehkan 10 psi

Tabel 3.1 Data Fin Tube untuk Tube dengan OD 1 inch

8

Tabel 3.2 Harga U Tipikal untuk Air Cooler

3.4 Langkah Perhitungan

1) Memperkirakan Harga Ux (Tabel 3.2)

Tekanan atmosfer = 14,7 psi

Melakukan interpolasi kemudian hasilnya dikali 0,5, didapatlah Ux = 0,70

Setelah melakukan trial and error, didapatlah nilai Ux = 0,95 yang

digunakan pada perhitungan-perhitungan selanjutnya.

2) Memperkirakan kenaikan suhu udara ambien

3) Menghitung CMTD

4) Menghitung Required Surface

9

5) Menghitung Face Area

6) Menghitung Lebar Unit (Width)

7) Menghitung Jumlah Tabung

8) Menghitung Tube Side Mass Velocity

9) Menghitung Modified Reynolds Number

10) Menghitung Tube Side Pressure Drop

Gambar 3.1 Grafik untuk Mencari Nilai f

10

Gambar 3.2 Grafik untuk Mencari Nilai Faktor Y dan B

*Jika melebihi 10 psi, dilakukan trial kembali.

11) Menghitung Tube Side Film Coefficient

Gambar 3.3 Grafik untuk Mencari Nilai Faktor J

11

12) Menghitung Jumlah Udara yang Dibutuhkan (Air Quantity)

13) Menghitung Air Face Mass Velocity

14) Mencari Air Side Film Coefficient

Gambar 3.4 Grafik untuk Mencari Nilai

15) Menghitung Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh

*Jika berbeda jauh, dilakukan trial kembali hingga nilai Ux estimasi sama

dengan/mendekati Ux hasil perhitungan.

16) Menghitung Area Minimum Kipas (Fan)

12

17) Menghitung Diameter Kipas (Fan)

18) Menghitung Static Pressure Drop Udara Ambien Pendingin

Gambar 3.5 Grafik untuk Mencari Nilai

Gambar 3.6 Grafik untuk Mencari Nilai

19) Menghitung Volume Udara Aktual

13

20) Menghitung Tekanan Total Tiap Kipas (Aproksimasi)

21) Menghitung Brake Horse Power Tiap Kipas

22) Menghitung Daya Motor Tiap Kipas

14

BAB 4

PENUTUP

4.1 Kesimpulan

Berdasarkan perhitungan desain yang telah dilakukan dalam Bab 3, berikut

adalah hasil spesifikasi Air Cooled Heat Exchanger (ACHE) yang dibutuhkan untuk

dapat mendinginkan udara proses dari suhu 88oC menjadi 40

oC dengan laju alir massa

sebesar 3822 kg/h, fouling factor 0,0008 m2.h.

oC/kcal dan heat load 45900 kcal/h

menggunakan udara ambien dengan suhu 30oC.

Parameter Hasil

ACHE Type forced draft, horizontal

U 0,95 Btu/h.ft2.oF

Ambient Air Outlet

Temperature 98

oF

Tube Outer Diameter (OD) 1 inch

Tube Pitch 2,5 inch triangular ()

Bundle Layout 3 tube pass

4 rows of tubes

Fin Height 5/8 inch

Fin Spacing 10 fins/inch

Tube Length 6 ft

Tubes per Row 31,5 32

Total Tubes 128

ACHE Width 6,6 ft

Face Area 39,6 ft2

Ambient Air Face Velocity 660 ft/min

Number of Fans 2

BHP per Fan 0,9 hp

Motor Power per Fan 1 hp

Gambar 4.1 Contoh Penampakan Forced Draft ACHE dengan Dua Kipas

15

4.2 Saran

Karena perhitungan manual oleh manusia memakan banyak waktu dan

membutuhkan ketelitian (resiko terjadi kesalahan tinggi), maka penulis menyarankan

perhitungan dan perancangan dilakukan dengan bantuan software sehingga lebih

akurat, resiko kesalahan kecil dan hemat waktu. Contoh software sederhana yang gratis

adalah Air Cooled Heat Exchanger Sizing dari CheCalc. Hasil perhitungan software

ini dapat dilihat pada Gambar 4.2 (British Unit) dan Gambar 4.3 (SI).

Gambar 4.2 Hasil Perhitungan CheCalc (British Unit)

16

Gambar 4.3 Hasil Perhitungan CheCalc (SI)

17

REFERENSI

A.P.I. Standard 661. Air Cooled Heat Exchangers for General Refinery Services.

Briggs, D. E., Young, E. H. Convection Heat Transfer and Pressure Drop of Air

Flowing Across Triangular Pitch of Tubes. Chemical Engineering Progress Symposium

Series, Volume 59, No. 41, 1963.

Cook, E. M. Air Cooled Heat Exchangers. Chemical Engineering, May 25, 1964, p.

137; July 6, 1964, p. 131; and August 3, 1964, p. 97.