heat exchanger

Heat Exchanger

Heat Exchanger adalah alat penukar panas yang dapat digunakan untuk memanfaatkan atau mengambil panas dari suatu fluida untuk dipindahkan ke fluida lain. Proses perpindahan panas ini biasanya terjadi dari fase cair ke fase cair atau dari fase uap ke fase cair.

Klasifikasi heat exchanger berdasarkan fungsinya yaitu:

1.      Heat exchanger

Alat ini menjalankan dua fungsi yaitu

1. memanfaatkan fluida dingin
2. menggunakan fluida panas yang didinginkan

Hampir tidak ada panas yang hilang di dalam perpindahan panas. Tipe heat exchanger yang banyak digunakan adalah

1). Tipe shell and tube

Tipe ini mempunyai luas penampang perpindahan panas yang besar jika dibandingkan dengan tipe double pipe. Oleh karena itu tipe ini banyak digunakan dalam industri minyak dan gas bumi.

2). Tipe double pipe

Tipe ini dipergunakan bila aliran fluida tidak terlalu banyak (luas perpindahan panasnya tidak terlalu besar). Tipe ini akan lebih efektif bila digunakan dengan memakai sirip (fin), apabila fluida berbentuk vapor atau viscous.

2.      Cooler

Alat ini berfungsi untuk mendinginkan fluida cair, gas dengan menggunakan mediapendingin air atau udara.

Tipe-tipe cooler, antara lain:

1. tipe pipe coil

1). Spiral COIL

2). PIPE COIL

3). Box cooler (lebih baik/bagus yang tube-3 dan shell)

2. Tipe air cooler

media pendingin yang digunakan adalah udara

3.      Condenser

Alat ini berfungsi untuk mengembunkan uap atau campuran uap. Sebagai media pendingin biasanya digunakan air. Umumnya condenser memiliki tipe shell and tube dan dapat mempunyai dua tipe yaitu tipe vertical dan tibe horizontal yang masing-masing mempunyai keuntungan sendiri-sendiri.

Tipe-tipe condenser berdasarkan fungsi:

1. Partial condenser

Condenser ini memiliki fungsi hanya mengembunkan sebagian dari total uap yang dihasilkan (kondensat) yang dipakai sebagai reflux. Condenser ini biasanya dipasang dekat puncak dalam fraksinasi.

2. Overhead condenser

Condenser ini memerankan 3 hal pada saat bersamaan yakni mendinginkan uap, mengembunkan uap menjadi cairan, kemudian mendinginkan  menjadi cairan tersebut

3. Surface condenser

Condenser ini berfungsi untuk mengkondensasikan steam, yang mana kondensasi ini dijalankan dengan tekanan vakum dari 1 sampai 1,5 inHg absolute. Untuk membuat tekanan vakum digunakan ejector.

4.      Heater

Alat ini berfungsi untuk memanaskan fluida cair atau uap dengan menggunakan steam atau air panas yang mana dengan memberikan sensible heat

5.      Evaporator

Alat ini berfungsi untuk mendinginkan  atau menguapkan fluida cair dengan menggunakan steam atau media panas lainnya.

6.      Chiller

Alat ini berfungsi untuk mendinginkan fluida pada temperature rendah. Sebagai media pendinginnya dapat digunakan air, propane, Freon, ataupun amoniak

7.      Reboiler

Biasanya dihubungkan dengan dasar kolom fraksionasi atau stripper untuk melengkapi panas pendidihan yang diperlukan untuk destilasi. Sebagai media pemanas dapat berupa steam atau fluida panas (misalnya residu). Tipe dari alat ini adalah tipe ketel dengan tipe shell and tube, dimana shell membesar untuk memindahkan penguapan. Selain itu dapat digunakan furnace.

Macam-macam reboiler:

1. Natural Circulation/thermosiphon reboiler yang memdidih diperoleh dengan mempertahankan head yang cukup dari liquid untuk melengkapi sirkulasi.
2. Forced circulation reboiler dengan menggunakan  pompa untuk mendorong liquid masuk reboiler

8.      Air cooled exchanger (air cooler)

Air cooler exchanger digunakan untuk mendinginkan fluida pada suhu ambient dengan udara. Diklasifikasikan sebagai berikut

1. Forced draft

Bila letak tube pada daerah discharge dan fan

2. Induced draft

Bila letak tub pada daerah suction dan fan

Klasifikasi Heat Exchanger berdasarkan kontruksinya:

1.      Fixed tube sheet

Kedua tube sheet tepat pada shell. Kelemahan dari tipe ini adalah jika perbedaan suhu telalu besar maka tube akan bengkok

2.      Floating Heat/tube sheet (removeable and non removeable bundles)

Satu tube sheet ‘loates’ dalam shell, yang lain tepat pada shell. Tipe ini dapat digunakan pada suhu tinggi (>200^oF), dapat dioperasikan pada fluida yang kotor

3.      U-tube, U-bundle

Hanya pada satu tube sheet dioperasikan pada tube bentuk U. dapat digunakan pada suhu yang tinggi.

4.      Kettle

Tube bundle removable sebagai tipe U dan floating head. Shell membesar untuk memudahkan pendidihan dan penguapan.

5.      Double pipe

Masing-masing tube mempunyai shell sendiri-sendiri untuk membentuk ruang annulus. Biasa digunakan finned tube

6.      Pipe coil

Tipe pipe coil yaitu:

1. Spiral coil

Coil yang direndam dal;am box coil yang berisi air, digunakan untuk pemanasan dan pendinginan. Coil berbentuk spiral.

2. Pipe coil

Biasa dipasang pada dasar suatu tankiuntuk memanaskan isi tanki dengan aliran steam dalam pipa. Dapat berbentuk hair pain, spiral, tipe ring.

3. Box coil

Pendinginan dilakukan dengan jalan mengalirkan fluida panas dalam suatu coil yang tercelup dalam media pendingin air.

Klasifikasi Heat exchanger berdasarkan Standar TEMA.

TEMA (Tubular Exchanger Manufacturing Assosiation), mengklasifikasikan HE berdasarkan perencanaan dan pembuatannya menjadi tiga kelas yaitu:

1.      Hean exchanger kelas ‘R’ umumnya digunakan untuk industri minyak dan peralatan untuk proses tersebut

2.      Heat exchanger kelas ‘C’ umumnya digunakan untuk keperluan komersil

3.      Heat exchanger kelas ‘B’ umumnya digunakan untuk proses kimia.

Klasifikasi heat exchanger berdasarkan jenis alirannya:

1.      Heat exchanger counter current (aliraran berlawanan arah)

Jika aliran kedua fluida yang mengalir dalam HE berlawanan arahnya

2.      Heat exchanger co-current (aliran searah)

Jika aliran fluida yang didinginkan dengan media pendinginnya searah.

3.      Hear exchanger cross current (aliran silang)

Jika aliran fluida yangmengalir dalam HE saling memotong arah

Alat Penukar Panas Dilihat dari arah Aliran dan Tube Layout

Apabila ditinjau aliran fluida alat penukar panas ini dibagi dalam tiga macam aliran, yaitu:

1.      Aliran sejajar

2.      Aliran berlawanan arah atau counter flow

3.      aliran kombinasi

Susunan tube (tube layout) akan mempengaruhi baik bruknya perpindahan panas. Disamping itu, pemilihan harus mempertimbangkan system pemeliharaan yang akan dilakukan. Pembersihan tube dengan mekanikan atau secara kimiawi akan mempengaruhi pemilihan dari tube. Selain susunannya yang terjadi, aliran laminar atau turbulen, bersih atau kotor fluida yang mengalir. Susunan tube terdiri dari:

1.      Tube dengan susunan bujur sangkar (In-line square pitch)

2.      Tube dengan susunan segitiga samam sisi (Triangular pitch)

3.      Tube dengan susunan berbentuk belah ketupat (Diamond square pitch)

4.      Tube dengan susunan segitiga diputar 60^oC (Rotated triangular pitch)

 Shell and Tube Heat exchanger

Secara keseluruhan komponen utama penyusun shell and tube heat exchanger adalah:

1.      Shell

Biasanya berbentuk silinder yang berisi tube bundle sekaligussebagai wadah mengalirnya zat

2.      Head stationer

Head stationer merupakan salah satu bagian ujung dari penukar panas. Pada bagian ini terdapat saluran masuk fluida yang mengalir kedalam tube.

3.      Head bagian belakang

Head bagian belakang ini terletak diujung lain dari alat penukar panas

4.      Sekat (baffle)

Sekat digunakan untuk membelokkan atau membagi aliran dari fluida dalam alat penukar panas. Untuk menentukan sekat diperlukan pertimbangan teknis dan operasional.

Macam-macam baffle yaitu:

1.     Horisontal cut baffle

1)      Baik untuk semua fase gas atau fase liquid dalam shell

2)      Baik ada dissolves gas dalam liquid yang dapat dilepaskan dalam heat exchanger maka perlu diberi ‘notches’ dalam baffle

2.     Vertical cut baffle

Baik untuk liquid yang membawa suspended matter atau yang heavy fouling fluida

3.      Disc and doughtnut baffle

1)      Fluida harus bersih, bila tidak akan terbentuk sediment dibelokkan doughtnut

2)      Kurang baik, sebab bila ada dissolved gas yang terlepas, bias dilepaskan melalui top  dari doughtnut, bila ada kondensat liquid tidak dapat di drain tanpa large ports pada doughtnut.

4.       Baffle dengan annular orifice

Baffel ini jarang digunakan kerena terdiri dari full circular plate dengan lubang-lubang untuk semua tube.

5.     Longitudinal baffle

Digunakan pada shell side untuk membagi aliran shell side menjadi dua atau beberapa bagian untuk memberikan kecepatan yang lebih tinggi untuk perpindahan panas yang lebih baik.

5.  Tube

Tube merupakan pemisah dan sebagai pengantar panas yang berbeda suhunya diantara dua zat yang berada di dalam suatu alat. Pemilihan tube ini harus sesuai dengan suhu, tekanan, dan sifat korosi fluida yang mengalir.

Tube ada dua macam, yaitu:

1.     Tube polos (bare tube)
2.      Tube bersirip (finned tube)

6. Tube sheet

Berfungsi sebagai tempat duduk tube bundle pada shell

7.       Channel and pass partition

Channel merupakan tempat keluar masuknya fluida pada tube, sedangkan pass partition merupakan pembatas antara fluida yang masuk dan  keluar tube.

 8.      Shell cover and channel cover

Shell cover and channel cover adalah tutup yang dapat dibuka pada saat pembersihan.

2.7.Fouling factor (Rd)

              Dalam heat exchanger, fouling adalah peristiwa terakumulasinya padatan yang tidak dikehendaki dipermukaan penukar panas yang terkontak dengan fluida kerja, termasuk permukaan perpindahan panas. Peristiwa tersebut adalah pengedapan, pengerakan, korosi, polimerisasi dan proses-proses biologi.

              Fouling mengakibatkan kenaikan tahanan perpindahan panas, sehingga meningkatkan biaya, baik investasi maupun perawatan. Akibatnya terjadinya fouling, ukuran penukar panas menjadi lebih besar, kehilangan energi meningkat, waktu shut down dapat lebih panjang, dan biaya perawatan meningkat.Antisipasi terhadap terjadinya fouling dalam perancangan , dengan memiliki variable operasi dan konfigurasi yang tepat, dapat menekan terjadinya fouling dan kerugian diatas.

Pencegahan fouling dapat dilakukan dengan tindakan :

1.      Menekan potensi fouling, misalnya dengan penyaringan

2.      Menggunakan bahan konstruksi yang tahan terhadap korosi

3.      Menepatkan nozzle ( tube side dan shell side ) di permukaan tertinggi atau     terendah pada heat exchanger, untuk menghindari terjadinya kantung-kantung gas ataupun kantung volume fluida diam. Interface gas cair merupakan lokasi terjadinya korosi, dan kantung udara diam memungkinkan terjadinya pengendapan.

              Fouling factor adalah suatu angka yang menunjukan hambatan akibat adanya kotoran yang terbawa oleh fluida yang mengalir dalam heat exchanger. Kotoran ini berupa lumpur, polimer, dan deposit lain yang terbentuk di bagian dalam maupun bagian luar dinding tube exchanger. Nilai ini digunakan untuk mendesain agar mengetahui hambatan yang masih diperbolehkan selama operasi normal sebelum pembersihan.

              Fouling factor tergantung pada nilai koefisien perpindahan panas ke seluruh permukaan bersih, Uc, dan nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan untuk permukaan kotor, Ud. Jika fouling factor makin besar efisiensi perpindahan panas semakin menurun dan akibatnya pressure drop makin besar.

              Secara umum yang dapat menyebabkan terjadinya fouling pada alat operasi adalah :

1.      Hard Deposit, yaitu kerak yang berasal dari hasil korosi maupun cooking

2.      Porous Deposit, yaitu kerak yang berasal dari dekomposisi dari kerak keras

3.             Loss Deposit, yaitu berasal dari deposit seperti lumpur dan material lunak yang lain.