KONSEP STANDAR
RANGKA PRESENTASI
RULES OF
THUMB
PROSEDUR
PERHITUNGAN
SOAL
HITUNGAN
P e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3

KONSEP HE SHELL & TUBE

Definisi Shell and Tube Heat Exchanger

Tujuan
 STHE merupakan jenis HE
yang sangat berguna dan
banyak digunakan dalam
proses industri.
 Hal ini dikarenakan, industri
membutuhkan jumlah
hairpin double pipe yang
cukup banyak.

Komponen Utama
1. Shell
2. Nozzles
3. Channels
4. Channel covers
5. Baffles

Perbandingan
Single Pass Multiple Passes
• Saat fluida dalam HE saling melewati
hanya satu kali disebut singgle pass
heat exchanger.
• Tidak dapat menyediakan heat
recovery
• Saat fluida dalam HE saling melewati
lebih dari satu kali disebut multi pass
heat exchanger.
• Untuk membuat fluida yang multiple
passes ialah menggunakan U-tube
HE dan menambah baffle.
• Contoh 1-4,1-6,1-8,2-4. Angka
pertama menunjukan jumlah shell
dan angka kedua menunjukan
jumlah passes.

Single Pass
& Multi Pass

MULTIPASS STHE
X-X SHELL TUBE STHE

MULTIPASS STHE
4-8 SHELL TUBE STHE

Istilah-istilah dalam HE Shell&Tube
 BAFFLE
 Merupakan penyokong
agar tubes tidak bergetar
atau bergerak
 Terbagi 2 tipe:
 PLATE
 ROD

PLATE BAFFLE
J e n i s B a f f l e p a d a S T H E

ROD BAFFLE
J e n i s B a f f l e p a d a S T H E

 BAFFLE CUT
 Sejumlah persenan dari tinggi
yang dipotong dari keseluruhan
setiap baffle untuk
mempengaruhi aliran di dalam
shell
 Salah satu parameter penting
dalam desain sebuah STHE
 Pengaruhi keefisienan
perpindahan panas di shellside
 Biasa digunakan sekitar 15%-40%
dari shell inside diameter

Effect of Baffle Cut
B a f f l e c u t m e m p e n g a r u h i a l i r a n p a d a s h e l l s i d e

 TUBE LAYOUT PATTERNS
 Triangular
 Rotated Triangular
 Square
 Rotated Square
 Tipe 30° memberi lebih
banyak tubes dalam shell
 Tipe 60° lebih bersih karena
pitch nya dekat
pitch

Aplikasi HE Shell&Tube
 Aplikasi sangat luas
 STHE jenis Heat Exchanger yang paling umum dipergunakan
pada proses Revinary, Oil and Gas, Petrochemical, dan
perusahaan-perusahaan energi
 Dapat bekerja pada range T dan P yang luas
 Dapat terbuat dari berbagai macam material
 Banyak supplier
 Well established – desain dan kode nya sudah berkembang
melalui pengalaman
 Pada power plants biasanya menggunkan 2-4 STHE Desain
dikarenakan lebih simple karena aliran masuk dan keluar disisi
yang sama (economizer)

Aplikasi
S h e l l a n d t u b e h e a t e x c h a n g e r p a d a o i l a n d g a s i n d u s t r y

STANDAR HE SHELL & TUBE

Shell and Tube Heat Exchanger Standards
American
Petroleum Institute
(API)
ANSI/API Standard 660 (8th Ed)
tahun 2007
TEMA
(Tubular Exchanger
Manufactures Association)

Design STHE
 Temperatur
Harus mempunyai
Maximum Design
Temperaute dan
Minimum Design Metal
Temperature (MDMT)
 Cladding for Corrosion Allowance
Design Temperature
harus dipengaruhi oleh
shell dan tube
Ketebalan Minimum 10 mm (3/8 in)

Design
Tubes
 Diameter minimim luar tubes harus 19.05 mm (3/4 in),
 Radius rata-rata dari lengkungan-U, tidak boleh kurang dari 1.5
kali diameter luar.

Materials
 Tubes
 Integrally finned tubes of copper
alloy shall be furnished in the
annealed-temper condition, such
as described in ASTM B 359/B 359M.
 Gaskets – seal mekanis yang mengisi
ruang antara dua permukaan rapat
untuk mencegah kebooran
 Gaskets shall not contain asbestos.
Gasket

Fabrication

TEMA
(Tubular Exchanger Manufactures Association)

TEMA
Designation

RULES OF THUMB HE SHELL & TUBE

RULE OF THUMB #1
1. Kecepatan maksimum pada shellside
Kecepatan harus dijaga tidak
terlalu cepat , hal ini ditujukan
untuk mencegah terjadinya erosi
ketika terdapat moisture dan
partikel dalam aliran.
Untuk mengurangi pressure drop yang tinggi
dapat menggunakan kecepatan aliran di bawah
maksimum pada kondisi operasi tertentu
Kecepatan pada nozzle boleh diizinkan sampai
1,2 dan 1,4 kali lipatnya

RULE OF THUMB #2
2. Kecepatan maksimum pada nozzle
Penurunan tekanan dalam
heat exchanger harus
selalu diperhatikan ,
terutama pada sistem yang
menggunakan aliran
bertekanan rendah

RULE OF THUMB #3
3. Jangan digunakan untuk menurunkan temperatur yang terlalu tinggi
Ilustrasi : pada pencairan Hidrogen dan neon
Udara (umpan dimana mengandung hidrogen dan neon), tidak
langsung didinginkan menggunakan nitrogen cair, akan tetapi
didinginkan secara bertahap dahulu, yaitu didinginkan dengan air pada
kondisi normal, lalu kemudian didinignkan menggunakan cairan nitrogen.
4. Penempatan fluida pada heat exchanger
• Fluida korosif ditempatkan pada bagian tubeside
• Fluida yang memiliki tekanan dan temperatur tinggi diletakkan dalam
tubeside
• Fluida yang memiliki kecepatan tinggi ditempatkan dalam tubeside
• Fluida yang memiliki kekotoran, ditempatkan pada bagian tubeside
• Aliran yang memiliki debit besar diletakkan pada bagian yang
berdiameter lebih besar, begitu sebaliknya

RULE OF THUMB #4
Untuk sistem yang relatif
bersih (kotoran) dan memiliki
perbedaan temperatur
antara shell dan tube yang
tidak terlalu tinggi, maka
digunakan BEM
Untuk sistem yang heat
exchanger yang akan
mengakomodasi ekspansi
thermal yang secara
signifikan antara tube dan
shell, maka digunaan BEU

PROSEDUR PERHITUNGAN HE SHELL & TUBE

Shell and Tube Design Flowsheet

Determining R,S

Determining Temperature Difference

Determining Physical Properties

Determining Heat Transfer
Overall Coefficient

Determining Uo

Determining Tube Side Coefficient

Determining Bundle Diameter

Shell Diameter and Baffle Spacing

Colborn Coefficient (jH)

Overall Coefficient

Tube Side Friction Factor

Shell Friction Factor

Check Pressure Drop

EXAMPLE 8.1 (KERN)

Calculation of a 2-4 Oil Cooler
A 33.5˚API oil has viscosity of 1.0
centipoise at 180˚F and 2.0 centipoise at
100˚F.49,600lb/hr of oil leaving a distilling
column at 358˚F and is to be used in an
absorption process at 100˚F.Cooling will be
achieved by water from 90˚F to
120˚F.Pressure drop allowances of 10psi may
be used on both streams along with a
combined dirt factor of 0.004.

 Available for this service from a discontinued operation is
35in.ID 2-4exchanger having 454 1in.OD ,11BWG tubes
״ 0׳ 12 long laid out on 1¼-in.squre pitch. The bundle is
arranged for six tube passes and vertical cut baffles are
spaced 7in. apart. The longitudinal baffle is welded to the
shell.
 Is it necessary to use a 2-4 exchanger?
 Will the available exchanger fulfill the requirements?

2-6 Shell and tube heat exchanger

Temperature profile:
T1(358)
t2(120)
T2(100)
t1(90)
L

Solution:-
Exchanger
shell side Tube side
ID=35in. Number=454
Baffle spacing=7in. Length=12 ״ 0׳
Passes=2 OD,BWG=1in.,11
Pitch=1¼in.squre
Passes=6

Hot fluid Cold fluid
difference
T1=358˚F t2=120˚F Δt1=238˚F
T2=100˚F t1=90˚F Δt2=10˚F
Temperature range:-
(T1-T2) (t2-t1)
258˚F 30˚F

LMTD:-
LMTD= Δt1-Δt2
ln(Δt1/Δt2)
LMTD = 238-10
ln(238/10)
LMTD =72˚F

Correction factor:-
R= (T1-T2)/(t2 - t1)
R=238/30
R=8.6
S=(t2-t1)/(T1-t1)
S=30/(358-90)
S=0.112

True temperature difference:-
Δt=FT×LMTD
From table: FT=0.93
LMTD=72˚F
Δt=0.93×72
Δt=66.96˚F

Heat balance:-
Oil
Q=W ×cp×(T1-T2)
Q=49,600×0.545×(358-100)
Q=6,980,000Btu/hr
Water
Q=m×cp×(t2-t1)
Q=23,2666.67×1.0×(120-90)
Q=6,980,000.1Btu/hr

Caloric temperatures:-
Δt2/Δt1=10/238=0.042
For
API=33.5˚ and temperature
range(258˚F) Kc=0.47(from table)
For Kc=0.47 and Δt2/Δt1=0.042
Fc=0.267

Caloric temperature of hot fluid:
Tc=T2+Fc×(T1-T2)
Tc=100+0.267×(258)
Tc=165˚F
Caloric temperature of cold fluid:
tc=t1+Fc×(t2-t1)
tc=90+0.267×(30)
tc=98˚F

Hot fluid: shell side
Flow area
as=1/2(ID×C ׳×B)/144PT
as=1/2(35×0.25×7)/144×1.25
as=0.17ft2
Mass velocity
Gs=W/as
Gs=49,600/0.17
Gs=292000lb/(hr)(ft2)

Viscosity:
At Tc=165F (from table)
μ=1.12cp
μ=1.12×2.42
μ=2.71lb/(ft)(hr)
Equivalent diameter:
De=0.99 in. (from table)
De=0.99/12
De=0.0825ft

Reynolds number:
Res=DeGs/μ
Res=0.0825×292000/2.71
Res=8900
jH=52.5 (from table)
Prandtl number:-
Pr=(cμ/k)
For
API=33.5˚ and μ=2.71 (from table)
k(Pr)⅓=0.20Btu/(hr)(ft2)(˚F)

Film coefficient:
ho=jH× (k/De) × (Pr)⅓×Φs
ho/Φs= 52.5 ×0.2/0.0825
ho/Φs=127
Cold fluid: tube side
Flow area:
a ׳t=0.455 in. square
at=(Nt×a ׳t)/(144×n)
at=(454×0.455)/(144×6)
at=0.239ft2

Mass velocity:
Gt=m/at
Gt=232666.67/0.239
Gt=973500lb/(hr)(ft2)
Fluid velocity:
V=Gt/(3600×ρ)
V=973500/(3600×62.37)
V=4.33fps

Diameter:
D=0.76 in./12 (from table)
D=0.0633ft
Viscosity:
At tc=98˚F
μ=0.73 cp (from table)
μ=0.73×2.42
μ=1.77 lb/(hr)(ft)

Reynolds number:
Ret=D× Gt/μ
Ret=(0.0633 ×973500)/1.77
Ret=348156
Film coefficient:
For
V=4.33fps (from table)
hi=1010×0.96
hi=970 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

hio=hi×(ID/OD)
hio=970×(0.76/1.0)
hio=737 Btu/(hr)(ft2)(ºF)
Tube-wall temperature:
tw=tc+ ho × (Tc-tc)
(ho+hio)
tw=98+ 127 × (165-98)
(127+737)
tw=108ºF

At tw:
μw=1.95×2.42
μw=4.72 lb/(hr)(ft)
Φs=(μ/μw)¼
Φs=(2.71/4.72)¼
Φs=0.92
ho=127×0.92
ho=117 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

Clean overall coefficient Uc:
Uc= (hio×ho)/ (hio+ho)
Uc=(737×117)/(737+117)
Uc=101 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

Design overall coefficient UD:
UD=Q/(A× Δt)
A(total)=454×12ft×(0.2618ft2/lin ft)
A=1425ft2
UD=6980000/(1425×66.96)
UD=73.15 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

Dirt factor Rd:
Rd=(Uc-UD)/UcUD
Rd=(101-73.15)/(101×73.15)
Rd=0.00377 (hr)(ft2)(ºF)/Btu
Rd (required) 0.004
Rd(calculated) 0.00377

Pressure drop: (on shell side)
For Res=8900 (from table)
f=0.00215ft2/in.2
No of crosses, N+1=12L/B
N+1=(12 × 12)/7
N+1=20.1 ( Say,21)
Ds=35 in./12
Ds=2.92ft

S( specific gravity)=0.82 (from fig.)

ΔPs = f×Gs2×Ds×(N+1)
5.22×1010×De×s×Φs
ΔPs =0.00215×2920002×2.92×42
5.22×1010×0.0825×0.82×0.92
ΔPs =7.0psi (allowable=10psi)

Pressure drop: (on tube side)
Ret =34815.6 (from fig.)
f=0.000195ft2/in.2
ΔPt=(f×Gt2×L×n)/(5.22×1010×Ds×Φt)
ΔPt= 4 psi
Gt=973500,v2/2g=0.13 (from fig.)
ΔPr=(4×n×v2)/(2g×s)
ΔPr=3.2 psi
ΔPT=ΔPt+ΔPr=7.2psi(allowable=10psi)

2-4 Shell and tube heat exchanger:-

Only replace value of n=6 to n=4
At=0.3585
Gt=649000
V=2.89fps
Ret=23210
hi=760 Btu/(hr)(ft2)(ºF)
hio=577 Btu/(hr)(ft2)(ºF)
tw=110ºF
ho=117 Btu/(hr)(ft2)(ºF)

Uc=94 Btu/(hr)(ft2)(ºF)
Rd=0.003 (hr)(ft2)(ºF)/Btu
F=0.00025
ΔPt=1.53 psi ,v2/2g =0.065
ΔPr=1.04 psi
ΔPT=ΔPt+ΔPr=2.57psi
(allowable=10psi)s
So,2-6 STHE is more suitable as
compare to 2-4 STHE.

EXAMPLE 8.2 KERN
C O N T O H P E R H I T U N G A N S T H E

CALCULATION OF AN ACETONE-ACETIC ACID
EXCHANGER
Acetone (s=0.79) at 250oF is to be sent to storage at 100oF and at a rate of
60,000 lb/hr. The heat will be recieved by 168,000 lb/hr of 100 per cent acetic
acid (s=1.07) coming from storage at 90oC and heated to 150oC. Pressure
drops of 10.0 psi are available for both fluids, and a combined dirt factor of
0.004 should be provided.
Available for the service are a large number of 1-2 exchangers having 21 ¼ in.
ID shells with 270 tubes ¾ in. OD, 14 BWG, 16’0’’ long and laid out 1-in. Square
pitch. The bundles are arranged for two tube passes with segmental baffles
spaced in. apart.
How many of the 1-2 exchangers should be installed in series?
Diketahui :

Table 9. Tube
Sheet Layout
Table 10. Heat Exchanger and Condenser
Tube Data

PEMBAHASAN
1. HEAT BALANCE  Q = WC (T1-T2)
Aceton Acetic acid
Q = 60,000 x 0.57 (250-100) = 5,130,000 Btu/hr Q = 168,000 x 0.51 (150-
90) = 5,130,000 Btu/hr
2. TEMPERATURE DIFFERENCE
(
= LMTD. FT
Fig. 18 (HE 1-2)  FT = tidak
memotong
Fig. 19 (HE 2-4)  FT = 0.67 (masih
terlalu rendah, minimal 0.75)
Fig. 20 (HE 3-6)  FT = 0.88 (pilih tipe
HE 3-6)
 FT merupakan pertimbangan
pemilihan jumlah shell and tube.
Terlebih dahulu menghitung R
dan S
= LMTD. FT = 39.1 x 0.88 =
34.4 F

3. CALORIC TEMPERATURE
Tc and tc. These liquids are not viscous, and the viscosity correction will be
negligible, . Average temperatures may be used.
Aceton  Ta = (250+100)/2 = 175 F , Acetic acid  ta = (150+90)/2
= 120 F
4. FLOW AREA
Keterangan :
ID = Inner Diameter
C’ = PT – OD tube
B = Baffle

Aceton 100%
Ta = 175 F
x = 14.5
y = 7.2
Acetic acid
100%
ta = 120 F
x = 12.1
y = 14.2

Shell : aceton
D = de/12
[Fig. 10]
Tube : acetic acid
D = ID/12
[Fig. 10]

9. ho, hi
10. hio
13. CLEAN OVERALL COEFFICIENT(Uc)

14. DESIGN OVERALL COEFFICIENT (Uc)

THANK YOU 

Shell and Tube Heat Exchanger

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

En vedette

En vedette (20)

Similaire à Shell and Tube Heat Exchanger

Similaire à Shell and Tube Heat Exchanger (20)

Dernier

Dernier (9)

Shell and Tube Heat Exchanger