peracangan alat proses
DESCRIPTION
PressureTRANSCRIPT
PERHITUNGAN UAS
PERANCANGAN ALAT PROSES
VESSEL DAN HEAT EXCHANGER
PERHITUNGAN UJIAN AKHIR SEMESTER
PERANCANGAN ALAT PROSES VESSEL DAN HEAT EXCHANGER
PENGAJAR:Prof. Dr. Ir. Mohammad Nasikin, M.eng.
Ir. Abdul Wahid, M.T.
OLEH :
Kevin S Sembiring 1206244075
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS INDONESIA
DEPOK 2015
PROBLEM 1
PT. Saltindo mendapat konsesi dari Pertamina/Pemerintah untuk menjadi distributor
LPG di 11 propinsi. Untuk keperluan tersebut, PT Saltindo akan membangun 3 filling station
di 3 kota, yaitu Ambon, Toli-toli, dan Samarinda. Pada setiap filling station, direncanakan
dibuat sebanyak 4 tangki yang masing-masing berkapasitas 20.000 kg. Untuk menghemat
lahan, 2 tangki didisain dengan konstruksi untuk diletakkan di bawah permukaan tanah
(tangki timbun) dan 2 tangki diletakkan di atas permukaan tanah. Lakukan disain detil untuk
kedua tangki ini.
Solusi:
Data Tambahan.
Bentuk tangki : Silinder Horizontal
Bentuk head : Elipsoidal
Jenis Head : SA 516 Grade 70
Ketebalan Shell : Tebal
Langkah-langkah yang dilakukan untuk menyelesaikan permasalahan ini adalah:
1. Langkah 1 : Menentukan Jenis Vessel yang Digunakan dan Headnya.
Pemilihan jenis vessel digunakan dengan mempertimbangkan tekanan desain,
suhu, material, tegangan, korosi, beban, kapasitas, dan ketebalan dinding minimum. Jenis
fluida yang akan disimpan pada kasus ini adalah LPG. LPG adalah fluida yang memiliki
sifat-sifat seperti tidak berwarna, tidak beracun, mudah terbakar, memiliki massa
jenisnya lebih berat dibandingkan udara, dan dapat berekspansi secara cepat. Untuk
pemilihan vessel ini didesain untuk penyimpanan di atas permukaan.
Jenis vessel yang dipilih adalah silinder elipsoidal. Pertimbangan pemilihan jenis
silinder adalah karena tipe ini lebih mudah untuk fabrikasinya dan mudah untuk
diinstalasi. Head yang digunakan pada kasus ini adalah elipsoidal. Pemilihan jenis ini
didasarkan pada tekanan internal dari LPG sebesar 250 psi pada suhu 50oC, bahkan
mencapai lebih dari 250 psi pada suhu yang lebih panas, sehingga berdasarkan
pertimbangan ini, tipe ini akan mampu untuk mengatasinya.
Pemilihan materi vessel di atas permukaan adalah SA 516 Grade 70 dengan
pertimbangan ketahanan pada suhu rendah dan menengah. LPG adalah fluida yang
disimpan pada suhu menengah sehingga cocok untuk kasus ini. Pemilihan material di
bawah permukaan adalah SA 516 Grade 70 dengan sacrifical anode.
2. Langkah 2 : Menentukan Ukuran Kapasitas Tangki.
Selanjutnya dilakukan perhitungan untuk mencari volume LPG.
Massa LPG dalam 1 tangki : 20.000 kg
Tekanan Uap LPG pada suhu 50oC : 250 psi
Densitas LPG pada suhu 20oC : 525 kg/m3
Besarnya volume tangki LPG tersebut adalah:
V= 20,000 kg
525 kg /m3=38.09 m3=38.090 Liters
Konversi volume tangki LPG tersebut menjadi gallon adalah sebesar: 10,062 gallons.
Tabel 1.1. Spesfikasi Ukuran Vessel
Dari tabel tersebut dipilihlah volume tangki sebesar 12,000 gallons.
Gambar 1. Vessel di Atas Permukaan
Gambar 2. Vessel di Bawah Permukaan
Gambar 3. Vessel LPG
3. Langkah 3 : Menentukan Ketebalan Vessel
(a) Perhitungan Vessel di atas tanah
Berdasarkan data Tabel 1.1 besarnya diameter vessel yang digunakan sebesar 7
feet (213.36 cm) dan tekanan internalnya adalah 250 psi. Tekanan maksimal dari tabel di
bawah ini adalah 17,500 psi jenis division 1. Efisiensi pengelasan adalah 0.85 dan
corrosion allowable (C) sebesar 2 mm. Besarnya jari-jari dalam (Ro) adalah 1067 mm.
Tabel 1.2. Maximum Allowable Stress
Perhitungan ketebalan vessel dari atas permukaan tanah berdasarkan ASME sebagai
berikut:
t=P Ro
SE+0.4 P+C
t=(250 psi ) (1067 mm )
(17,000 psi ) (0.85 )+0.4 (250 psi )+2 mm
t=20.33 mm=0.8 inchHasil perhitungan ketebalan vessel sebesar 20.33 mm (0.80 inch).
Perhitungan ini selanjutnya dianalisis menggunakan rule of thumb dalam mendesain
vessel.
Tabel 1.3. Vessel Silinder dengan Thin Wall
Berdasarkan tabel ini telah terlampaui tebal minimum dari vessel dengan diameter 2134
mm, yaitu sebesar 20.33 mm.
Tabel 1.4. Tebal Ukuran Vessel Pasaran
Dilihat dari Tabel 1.4. ukuran tebal yang dipilih adalah 7/8 inch.
(b) Perhitungan Vessel di bawah tanah.
Kedalaman tangki timbun minimal 60 cm atau minimal 30 cm dengan dilapisi
beton pada sekelilingnya dengan ketebalan 100 mm (NFPA 30 Underground Tank
Installation, 2003). Besarnya volume tangki yang digunakan sama besar dengan tangki
di atas tanah yaitu 12,000 gallons.
Perhitungan tebal menggunakan Roark Equation:
t s min=[( Pi .OL. r32 (1−u2 )
34
0.807 E s)]
0.4
Dimana:
t s = Minimum thickness (inch)
E s = Modulus elastisitas
u = Poisson ratio
OL = Length of tank (inch)
r = Radius of tank (inch)
Pi = External P at the bottom of a tank submerged in water to a depth of 1.524
m
Material yang digunakan adalah SA 516 Grade 70 division 2 dengan spesifikasi
Es sebesar 29,000 ksi. Panjangnya reaktor adalah 40 ft 6 inch atau 486 inch. Besarnya
radius reaktor adalah 1067 mm atau 42 inch.
Besarnya nilai Pi=ρ . g . H=1000 kg
m3.9.8 m
s2. 1.524 m=14,900 Pa=16.87 psi
Maka besarnya nilai ts min adalah:
t s min=[( (16.87 psi ) .486inch . 4232 ( 1−0.292 )
34
0.807 .29,000,000 )]0.4
t s min=0.38 inch
Dengan ketebalan tersebut, maka besarnya vessel yang dipasaran berdasarkan Tabel 1.4.
adalah 0.5 inch.
4. Langkah 4 : Menentukan Tebal dan Tinggi Head
(a) Perhitungan Head Vessel di atas tanah.
Ketebalan head elipsoidal menggunakan diameter dalam 7 feet (2134 mm)
Allowance stress (S) SA 516 sebesar 17,000 psi
Tekanan internal (P) sebesar 250 psi
Efisiensi pengelasan sebesar 0.85
Corrosion allowable (C) sebesar 2 mm
Perhitungan ketebalan head dilakukan dengan menggunakan rumus:
t= P D2 SE−0,2 P
+C
t=(250 psi )(2134 mm)
2 (17,000 psi ) (0,85 )−0,2(250 psi)+2,0 mm
t=20,49 mm=0.8 inch
Selain itu, kita selanjutnya menghitung tekanan maksimal yang dapat ditahan oleh head
sebagai berikut.
P= 2 SE tD+0,2 t
P=2 (17,000 psi ) (0,85 )(20.49 mm)
2134 mm+0,2(20,49 mm)P=277 psi
Dari hasil perhitungan ini, tekanan maksimum yang dapat ditahan adalah sebesar
277 psi. Dengan tekanan LPG sebesar 250 psi maka dapat dipastikan bahwa head
elipsoidal ini mampu menahan tekanan internal vessel. Dengan tebal head sebesar 20,49
mm maka tebal yang disesuaikan dengan yang ada dipasaran adalah 0.875 inch.
(b) Perhitungan Head Vessel di bawah tanah.
Ketebalan head elipsoidal menggunakan diameter dalam 7 feet (2134 mm)
Allowance stress (S) SA 516 sebesar 23,300 psi untuk division 2
Tekanan internal (P) sebesar 250 psi
Efisiensi pengelasan sebesar 0.85
Corrosion allowable (C) sebesar 2 mm
Perhitungan ketebalan head dilakukan dengan menggunakan rumus:
t= P D2SE−0,2 P
+C
t=(250 psi )(2134 mm)
2 (23,300 psi ) (0,85 )−0,2(250 psi)+2,0 mm
t=15.66 mm=0.62 inch
Selain itu, kita selanjutnya menghitung tekanan maksimal yang dapat ditahan oleh head
sebagai berikut.
P= 2 SE tD+0,2 t
P=2 (23,300 psi ) (0,85 )(15.66 mm)
2134 mm+0,2(15.66 mm)
P=268 psi
Dari hasil perhitungan ini, tekanan maksimum yang dapat ditahan adalah sebesar
268 psi. Dengan tekanan LPG sebesar 250 psi maka dapat dipastikan bahwa head
elipsoidal pada vessel bawah tanah ini mampu menahan tekanan internal vessel. Dengan
tebal head sebesar 15.66 mm, maka tebal yang disesuaikan dengan yang ada dipasaran
adalah 0.625 inch.
5. Langkah 5 : Menghitung Desain Spesifikasi Head
Besarnya head adalah sebesar ¼ dari diameter dalam (Do) vessel.
Gambar 3. Desain Spesifikasi Head Elipsoidal
(a) Perhitungan Spesifikasi Head di Atas Permukaan Tanah
Perhitungan h, ri, dan L yang terdapat pada desain head elipsoidal dengan perbandingan
D : 2h = 2: 1 adalah:
h=14
Do=14
(2134 )=533.5 mm
ri=0.17 Do=0.17 (2134 )=362.78 mm
L=0.9 D o=0.9 (2134 )=1920.6 mm
(b) Perhitungan Spesifikasi Head di Bawah Permukaan Tanah
h=14
Do=14
(2134 )=533.5 mm
ri=0.17 Do=0.17 (2134 )=362.78 mm
L=0.9 D o=0.9 (2134 )=1920.6 mm
6. Langkah 6 : Kesimpulan Desain Vessel
Dari hasil desain konsep ini didapatkanlah kesimpulan, yaitu:
Parameter Vessel di Atas Permukaan Vessel di Bawah
Tanah Permukaan Tanah
Jenis Vessel Silinder Horizontal Silinder Horizontal
Head Elipsoidal Elipsoidal
Material SA 516 Grade 70 Div 1 SA 516 Grade 70 Div 2
Dimensi 84” OD x 45’ OAL 84’ OD x 45’ OAL
Tebal Shell (inch) 7/8 1/2
Tebal Head (inch) 7/8 5/8
Tekanan Maksimal
(psi)
277 268
Desain Head (mm) h = 533.5 h = 533.5
ri = 362.78 ri = 362.78
L = 1920.6 L = 1920.6
PROBLEM 2
Setelah dikeluarkan mandatory tentang BBM disel yang harus dicampur dengan
biodiesel sebanyak 15%, banyak industri biodiesel yang meningkatkan kapasitas
produksinya. PT Saltindo sebagai salah satu pemasok biodiesel merencanakan meningkatkan
kapasitas produksi dengan cara menambah HE. HE berfungsi memanaskan bahan baku
(CPO) dari suhu kamar menjadi bersuhu 65oC sebagai suhu esterifikasi. Sesuai dengan
kapasitas produksinya, PT Saltindo memerlukan HE yang dapat mengakomodasi laju alir
CPO sebanyak 25.000 kg/jam. Keluaran HE langsung dimasukkan ke reaktor untuk di
esterifikasi menjadi biodiesel. Sistem yang ada sekarang, CPO langsung dimasukkan ke
reaktor dan dipanasi dalam reaktor. Dengan penambahan HE, proses produksi biodiesel
menjadi lebih cepat dan dapat dibuat sebagai sistem kontinu. Media pemanas yang dipakai
adalah steam karena di perusahaan telah ada boiler. Disainlah secara detil HE yang
diperlukan untuk proses tersebut.
Solusi :
Pemilihan heat exchanger pada kasus ini adalah shell and tube dengan spesifikasi:
Nama : Basco Custom Engineered Shell and Tube Heat Exchangers
Ukuran Shell : 2114
in
Tube Length : 20 ft (max 50ft)
Flow : shell 1-pass tube 2-pass design
Pemilihan ini dilatarbelakangi oleh rule of thumbsnya:
1. Kecepatan laju alir yang tidak terlalu tinggi..
2. Menaikkan temperatur feed tidak terlalu tinggi.
3. Fluida CPO yang bersifat korosif (ditempatkan di tubeside).
4. Banyak digunakan pada industri biodiesel.
Asumsi awal perhitungan.
a. Fluida di dalam shell memiliki temperatur yang sama pada semua titik cross section.
b. Panas yang diterima pada seluruh permukaan sama.
c. Overall coeficient perpindahan panas konstan
d. Laju alir setiap fluida yang mengalir konstan.
e. Specific heat capacity setiap fluida berilai konstan.
f. Tidak ada perubahan fasa seperti evaporasi atau terkondensasi di sepanjang heat
exchanger.
g. Heat loss diabaikan.
Selanjutnya dilakukanlah langkah-langkah perhitungan sebagai berikut.
1. Menentukan suhu fuida yang tidak diketahui.
Spesifikasi fluida yang dapat digunakan pada shell and tube dapat dilihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Spesifikasi Fluida di Bagian Shell dan Tube
Suhu fluida panas steam:
Inlet : 150oC
Outlet : 115oC
Suhu fluida dingin CPO:
Inlet : 25oC
Oulet : 65oC
Specific Heat Capacity components:
CPO : 1.861 kJ/kgoC
Steam : 1.996 kJ/kgoC
2. Menghitung kalor yang dibutuhkan.
˙Q=mCPO x CpCPO x ∆T
˙Q=25,000
kg3600 s
x1.861kJ
kg℃x (65−25)℃
˙Q=516.94 kJ /s
3. Menghitung jumlah steam yang dibutuhkan.
m s team= 516.94 kJ /s1.996 kJ /kgo C (150−115 ) o C
m steam=7.40kgs
=26,640 kg / jam
4. Menghitung LMTD
∆ T LMTD=(T hi−T co )−(T ho−T ci)
ln(T hi−T co)(T hi−T ci)
∆ T LMTD=(150℃−65℃ )−(115℃−25℃)
ln(150−65)(115−25)
∆ T LMTD=−5
ln8590
∆ T LMTD=−5
−0.057
∆ T LMTD=87,48℃
R=T hi−T ho
Tco−T ci
=150−11565−25
=0.875
S=T co−T ci
T hi−T ci
= 65−25150−25
=0.32
5. Menghitung Kondisi Pengoperasian Heat Exchanger
Grafik 1. Temperature Difference Factor
Didapatkanlah nilai FT=0.975
∆ t=0.975 x 87.48 O C=85.3 oC 185.54℉
Shell side: Tube Side
ID = 2114
in Number & Length = 76 & 20’0”
Baffle space = 5 in OD, BWG, pitch = 1 in, 13 BWG, 1.75in square
Passes = 1 Passes = 2
Ts = 115 oC + 0.5(35) = 132.5 oC
tc = 25 + 0.5(40) = 45 oC = 113 oF
Hot fluid: shell side, steam:
(a)
Flow area(as)=ID C B} over {144 {P} rsub {T}} = {21.25 x 0.25 x5} over {144x1.25} =0.1476f {t} ^ {2¿
(b) Mass velocity (G)=Was
=26,640 kg/ jam0.1476
=180,500 kg/ jam . f t 2
(c) Res=D sG s
μ
μ=0.016 cp x2.42=0.039 lb / ft . hr
Ds=0.9912
=0.0825 ft ;dari pitch 134
inchGrafik 1
ℜ=0.0825 x 180,5000.1476
=100.889
(d) Condensation of steam:
hio=1500Btu
(hr ) (f t 2 ) (℉ )
(e) Suhu dinding (t wall)
tw=t c+h io
hio+h0
(T hi−t c)tw=113+ 15001500+278
(302−113 )=273℉=134℃
Cold fluid: tube side, CPO:
(a) Flow area (as )=areaof shell−area of tube
Flow area (as )= 1144
¿
Flow area (as )=0.37 f t 2
(b) Mass velocity (G )=Was
=
25,000 kgjam0.37
=67,567kg
jam. f t2
(c) Res=D sG s
μ
Ds=0.9912
=0.0825 ft ;dari pitch 134
inchGrafik 1
ℜ=0.0825 x 67,5670.37
=15,065
(d) Menggunakan Gambar 1 didapatlah nilai (T ’ ) jH =60 o F dengan ℜ=15,065
Gambar 1. Grafik Re
Gambar 2. Grafik untuk Menentukan k (Cμk )
13 dari Viskositas
(e) Menghitung ho
ho=(T ’ ) jH . k (Cμk )
13 .∅
Nilai k saat suhu ts 45oC sebesar 0.1704
ho
∅=60 x 0.1704 x
0.80.0825
=99.14 Btu /(hr )( f t2)(℉)
(f) Saat temperatur dinding 134 oC, nilai viskositas CPO:
μ=4cp x 2.42=9.68lb / (ft )(hr )
6.Menghitung Uc, UD, Dirt factor, dan Pressure Drop
(a) Clean overall coefficient Uc :
U c=hio ho
hio+ho
=1500 x99.141500+99.14
=92 Btu /(hr )( f t2)(℉)
Tabel 2.2. Spesifikasi Heat Exchanger
(b) Design overall coefficient UD dengan OD 1 in dan BWG 13 dari Table 2.2.:
a ”=0.2618f t 2
lin ft
Total surface , A=76 x20' x0.2618=398 f t 2
U D=Q
A ∆ t=
516.94kJs
(3600 )
398 f t2 185.54℉(0.95)=23.94
Btu
(hr ) (f t 2 ) (℉ )
(c) Dirt factor Rd:
Rd=UC−U D
U C U D
= 92−23.94(92)(25.2)
=0.031(hr )( f t2)(℉) /Btu
Summary
Uc 92 Btu/(hr )(f t 2)(℉ )
UD 25.2 Btu/(hr )(f t 2)(℉ )
Rd calculated 0.031(hr)( f t2)(℉ )/Btu
Rd required 0.03(hr )( f t 2)(℉ )/Btu
(d) Pressure Drop Tube
Shell
ℜ=100.889 ; f =0.0013 f t 2/i n2 menggunakan Gambar 3.
No . of crosses , N+1=12LB
=12205
=48
D= 812
=0.666 ft
∆ P=f G 2 D ( N+1 )
5.22 x1010 Ds∅=
0.0013 (180,500 x2.2 )2 (0.666 ) (48 )5.22 (1010 ) (1.3 ) (1 )
=0.9 psi
Allowable ∆ P=10 psi
Tube
ℜ=15,065 ; f =0.0021 f t2/ i n2 menggunakan Gambar 3.
No . of crosses , N+1=12LB
=12205
=48
∆ P= f G2 ln5.22 x1010 Ds∅
=0.0021 (67567 x2.2 )2 20 x2
5.22 (1010) (0.0825 ) (0.23 )=1.87 psi
Allowable ∆ P=10 psi
Heat exchanger memiliki penurunan tekanan yang tidak terlalu besar sehingga
kinerjanya memuaskan.
Gambar 3. Grafik Nilai f Shell dan Tube
Shell
Tube
DAFTAR PUSTAKA
Kern. 1965. Process Heat Transfer. McGraw-Hill: Singapore.
Holman. 2010. Heat Transfer 10th edition. McGraw-Hill.