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
200°F, 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 350°F,
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 400°F. 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
μ 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.
Recommended
