Makalah-Reboiler

PERPINDAHAN PANAS
“REBOILER”
KELOMPOK 4
AULIA RAHMAN
ARI RIDHA AMRIL
FADLI RISFIANDI
MUHAMMAD IQBAL
RESTIKA RAHAYU
TRI HADI WASTYA
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA S1
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS RIAU
2014
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Reboiler merupakan suatu alat yang digunakan untuk merubah fasa
cair menjadi fasa uap, dimana uap tersebut berfungsi sebagai media untuk
proses pemisahan. Reboiler identik dengan heat Exchanger Shell and
Tube. Reboiler ialah Heat exchanger yang secara tipikal dipasang pada
kolom distilasi. Rebolier menghasilkan uap untuk separasi distilasi
fraksional seperti condenser menghasilkan refluks liquid yang mana
dikembalikan ke kolom distilasi.
Secara umum reboiler merupakan alat penukar panas yang
digunakan untuk menyediakan aliran panas untuk destilasi dan prosesproses lainnya yang serupa. Reboiler adalah salah satu bagian integral
proses produksi, tetapi bukan merupakan bagian dari system steam, karena
reboiler terletak jauh terpisah dari boiler utama. Konsekuensinya,
umumnya perhatian yang ditujukan pada reboiler lebih kecil dibandingkan
dengan boiler utama hingga sebuah kegagalan terjadi.
Prinsip kerja reboiler pada dasarnya sama dengan heat exchanger
secara umum, namun reboiler sebagai suatu system memerlukan peralatan
tambahan lebih daripada sekedar Heat Exchanger sebagai instrument,
sehingga reboiler tidak dapat berdiri sendiri. Reboiler terdiri atas beberapa
system yang berhubungan, misalnya system heat exchanger dan system
kolom (destilasi, evaporasi, dan yang sejenisnya). Kedua system itu
terhubung menjadi sebuah system reboiler dengan adanya pengembalian
fluida (panas) ke dalam kolom dari reboiler
1.2
Tujuan
Tujuan dari penulisan makalah ini adalah sebagai berikut:
1) Mengetahui tipe-tipe reboiler
2) Mengetahui sistem kerja reboiler
3) Merancang Reboiler
BAB II
REBOILER
2.1
Tipe dan bagian-bagian reboiler
Reboiler adalah salah satu exchanger panas atau satu perlengkapan
destilasi kolom yang memberikan perpindahan panas. Reboiler digunakan untuk
menguapkan cairan yang masuk sehingga uap yang dihasilkan masuk kembali dan
naik ke kolom, dan cairan sisanya akan tertinggal dibagian bawah kolom sebagai
resiud. Tangki reboiler vertical dan horizontal bekerja dengan sirkulasi natural,
dimana aliran yang mengalir ke reboiler disebabkan oleh ketidakseimbangan
tekanan hidrostatik antara cairan didalam tower dan campuran didalam tube
reboiler.
Jenis reboiler:
1. Kettle reboilers
2. Thermosyphon reboilers
3. Fired reboilers
4. Forced sirkulasi reboilers
a) Kettle reboiler
Gambar 1. Kettle Reboiler
Kettle reboilers merupakan alat yang sederhana dan sangat
bermanfaat. Prinsip kerja dari kettle reboiler ini yaitu cairan dari kolom
minum (cairan pada bagian bawah menara) masuk kedalam kettle melalui
shell samping. Didalam kettle terjadi kontak antara cairan tersebut dengan
steam sehingga terjadi pertukaran panas yang menyebabkan cairan
tersebut menguap, kemudian uap akan mengalir melalui tabung dan keluar
sebagai bundle condensate.
b.
Thermosyphon Reboiler
Gambar 2. Typical reboiler horizontal thermosyphon
Reboiler jenis ini tidak memerlukan pemompaan dari kolom minum cairan
kedalam reboiler. Sirkulasi alami diperoleh dengan menggunakan kepadatan
perbedaan antara reboiler kolom suak minum cair dan reboiler outlet cair-uap
campuran untuk menyediakan cukup cairan kepala untuk menyampaikan
menara minum ke reboiler. Thermosyphon reboiler lebih kompleks daripada
reboilers ketel dan memerlukan lebih banyak perhatian tanaman dari operator.
c.
Fired reboiler
Gambar 3. Recirculating fired heater reboiler
Fired heaters(furnaces) dapar digunakan sebagai penyulingan
reboiler kolom. Pompa diperlukan untuk mengedarkan kolom minum
melalui transfer panas tabung dalam tanur dari bagian konveksi dan panas.
Gambar 3 menggambarkan fired heater yang digunakan dalam konfigurasi
yang menyediakan recirculation pada kolom minum cair. Namun, dengan
beberapa perubahan yang relatif kecil dibagian bawah kolom penyulingan.
Heat sumber untuk fired heater reboiler mungkin salah satu bahan bakar
gas atau bahan bakar minyak. Batu bara akan jarang, jika pernah
digunakan sebagai bahan bakar untuk fired heater reboiler.
d.
Forced sirkulasi reboiler
Gambar 4. Typical-uap air panas sirkulasi reboiler untuk penyulingan
Jenis reboiler ini menggunakan pompa berkunjung ke kolom
minum cairan melalui reboilers. Gambar 4 menggambarkan yang khas uap-air
panas terpaksa sirkulasi reboiler.
2.2
Sistem Kerja
Dua fluida mengalir dengan temperatur awal yang berbeda mengalir
sepanjang heat exchangers. Satu aliran mengalir sepanjang tabung sedangkan
arus lain pada bagian luar tabung tetapi masih di dalam shell. Panas ditransfer
dari satu fluida ke fluida lainnya melalui dinding tabung, baik dari sisi tabung
menuju shell atau sebaliknya. Fluida bisa merupakan cairan atau gas pada sisi
shell maupun pada sisi tabung. Dalam tujuan memindahkan panas secara
efisien, suatu area perpindahan kalor yang besar harus digunakan, oleh karena
itu terdapat banyak tabung. Dengan cara ini, panas yang dibuang dapat
disimpan untuk digunakan. Hal ini adalah suatu jalan yang baik untuk
memelihara energi.
Heat exchanger yang berfasa tunggal (cairan atau gas) pada setiap sisi
dapat disebut heat exchanger berfasa satu atau berfasa tunggal. Heat exchanger
berfasa dua dapat digunakan untuk memanaskan cairan dan mendidihkannya
sehingga menjadi gas (uap air), terkadang disebut boiler, atau mendinginkan
uap air untuk dikondensasikan menjadi bentuk cairan (condenser), pada
umumnya perubahan fase yang terjadi berada pada sisi shell. Boiler didalam
mesin uap lokomotif biasanya cukup besar, yang pada umumnya shell and tube
heat exchanger terbentuk silinder. Pada pembangkit tenaga listrik yang besar
dengan steam-driven turbin, shell and tube condenser digunakan untuk
mengkondensasikan uap air yang keluar turbin ke dalam bentuk air yang dapat
didaur ulang kembali menjadi uap air, yang mungkin pada shell and tube tipe
boiler.
2.3
Merancang Reboiler
a)
Reboiler distilasi
Nama Alat : Reboiler Distilasi
Fungsi
: Menaikkan suhu komponen bottom dikolom destilasi
Data perancangan:

Fluida pemanas yang digunakan adalah steam

Fluida yang akan diuapkan adalah light organics (gasoline)

Untuk fluida panas steam dan fluida dingin gas dengan rentang UD = 100 –
200 Btu/hr ft2 °Fmaka diambil harga UDmaksimum = 200 Btu/hr ft2 F (
Kern, 1965).

Alat penukar panas yang digunakan adalah jenis shell and tube exchanger
 Beban panas (Q) = 22400000Btu/jam
Steam
Light organics
(Fluida Panas)
(Fluida dingin)
Laju alir (lb/jam)
6500
300000
T masuk (oF)
320
200
T keluar (oF)
240
160
Keterangan
1. ∆t(Perbedaan Temperatur)
fluida panas, F
fluida dingin, F
Selisih
320
temperatur tinggi
200
120
∆t2
240
temperatur rendah
160
80
∆t1
80
Selisih
40
40
∆t2-∆t1
(T1-T2)
LMTD 
(t2-t1)
t 2  t1
40
=
 98,652 °F
ln t 2 / t1 ln( 120 / 80)
R=
T1  T2 80

2
t 2  t1 40
S=
t 2  t1
40

 0,25
T1  t1 320  160
Ft = 0,945
(fig.18)
Maka ∆t = LMTD x ft = 98,652 x 0,945 = 93,23 °F
2. Temperatur kalorik,
Ta 
ta 
T1  T2 320  240

 280 o F
2
2
t 1  t 2 160  200

 180 o F
2
2
3. Luas Perpindahan Panas (A)
a. Asumsi harga UD = 200 Btu/hr ft2 .
A
Q
22400000 Btu / jam

 1201,378 ft 2
U D xt 200 Btu / jam. ft 2 .F x 93,23 F
untuk luas perpindahan panas (A) > 200 ft2, maka digunakan jenis alat
penukar panas jenis shell and tube heat exchanger (Kern, 1965).
Dipilih diameter luar (OD) pipa1 in :
a’’
= 0.2618 ft2/ft
panjang tube (L)
= 16 ft
Nt 
A

L x a' '
1201,378 ft 2
2
16 ft x 0.2618 ft
 286,8072
ft
Pada Tabel 9 Kern, 1965 digunakan Nt = 288 dengan pass pada tube = 2 dan
ID = 27 in
b. Koreksi koefisien UD :
2
A  Nt x L x a' '  288 x 16 ft x 0.2618 ft
UD 
ft
 1206,374 ft 2
Q
22400000 Btu / hr

 199,1717 Btu
hr. ft 2 .F
A x T 1206,374 ft 2 x 93,23 F
Hot Fluid : Shell side, Steam
Steam
sebagai
fluida
Cold Fluid : Tube side, Light Organic
pemanas
dialirkan pada shell.
Data desain yang digunakan untuk
tube side berdasarkan Kern (1965) yaitu:
Data desain yang digunakan untuk shell
Keterangan
Nilai
berdasarkan Kern (1965) yaitu:
Panjang (ft)
16
OD (in)
1
BWG
8
Pitch
1,25
Nt
288
Passes
2
Keterangan
Nilai
ID (in)
27
Baffle space, B (in)
5
Pitch (square)
1,25
4’. Flow area (as)
4. Flow area (at)
C’ = Pt – OD = 0,25 in
at 
ID x C ' x B 27in x 0,25 x5 in

 0,1875 ft 2
144 x PT
144 x 1,25
(Pers 7.1 Kern, 1965)
as 
N t .a' t 288.0,355

 0,355 ft 2
144.n
144 x 2
(Pers 7.48 Kern, 1965)
5. Kecepatan perpindahan massa (Gt)
5’. Kecepatan perpindahan massa (Gs)
Gs 
W 6500 lb / jam

 34667 lb
hr. ft 2
as
0,1875 ft 2
Gt 
w 300000 lb / jam

at
0,355 ft 2
 845070 lb
6’. Bilangan Reynold (Res)
Pada Ta = 280 °F
De = 0,99 in = 0,0825 ft untuk OD 1 in
dan 1,25 square pitch(Fig. 28, Kern)
 
(hr ) ft 2
(Pers 7.2 Kern, 1965)
6. Bilangan Reynold (Ret)
Pada ta = 180oF
µ = 0,17 x 2,42 = 0,4114 lb/(ft)(hr)
(fig.14)
D = 0,67 in = 0,0558 ft (tabel.10)
μ = 0,01818 x 2,42 = 0,0438 lb/ft.hr


(0,0825 ft). 34667 lb
2 
(
hr
).(
ft
)
DeGa

  65006
Re s 


 0,0438 lb

( ft).( hr ) 

Re t 
DeGt


0,0558 ft  845070 lb hr  ft 2 

0,4114 lb

 ft hr 
 114689
7. Dari Gambar 24 (Kern, 1965)
diperoleh JH = 270
8. Kondensasi steam
8. Pada ta = 180 oF, nilai
h0 = 1500 Btu/(hr)(ft2)(oF)
c = 0,592 Btu/(lb)(F) (fig.4)
“Sesuai
pernyataan
pada
Kern
di
halaman 164, yang menyatakan bahwa
untuk steam digunakan nilai h0 = 1500.”
k = 0,086 Btu/hr ft2 (F/ft)(fig.1)
 c. 


 k 
1
3
 1,36577
k  c. 
 j H . .
9.

t
De  k 
hi
hi  270.
10.
hio
t

1
3
0,0956
.1,36577.1  631,4
0,0558
hi
t
x
ID
OD
hi 0  631,4 x
0,67
1
hio  423,038Btu /( hr )( ft 2 )(  F )
Berdasarkan nilai ho dan hio yang diperoleh dari hasil perhitungan pada shell side dan tube
side, maka:
11. Clean Overall Coefficient, Uc:
Uc 
hio .ho
423,038 .1500

 329,976
hio  ho
423,038  1500
12. Design Overall Coefficient, UD:
Rd 
Uc  U D
2
 329,976  199,172  0,00199 hr  ft F 
Btu
Uc x U D
329,976 x 199,172
(Pers 6.13 Kern, 1965)
PENURUNAN TEKANAN (∆P)
Fluida Panas
Fluida Dingin
1. Untuk Re = 65006
2
2
f = 0,0015 ft /in (Fig. 29, Kern)
S = 1/(8,645 x 62,5) = 0,00185
2. Number of cross, N  1  38,4 ft
De  27/12  2,25 ft
3.
Ps 
fGs2 Ds ( N  1)
1
2 5.22 x 1010 De s s
= 9,77 psi
1. Untuk Re = 114689
f = 0,0008 ft2/in2 (Fig. 26, Kern)
2. s= 0,75
fGt2 Ln
3. Pt 
5.22 x 1010 D s t
= 8,363 psi
v2 /2g' = 0,01 (Gambar 27 Kern)
∆Pr =
4n/s
= 1,250 psi
v2 /2g'
∆PT = ∆Pt + ∆Pr = 9,5067 psi
∆P untuk shell dan tube <10 psi, dan Rd0,002, sehingga rancangan layak untuk digunakan.
b)
Reboiler distilasi
Data perancangan:

Fluida pemanas yang digunakan adalahsteam

Fluida yang akan diuapkan adalah komponen masuk heavy organics

Untuk fluida panas steam dan fluida dingin light organic dengan rentang UD =
100 – 200 Btu/hr ft2 °F maka diambil harga UD = 160 Btu/hr ft2 F ( Kern, 1965).

Alat penukar panas yang digunakan adalah jenis double pipe exchanger
Beban panas (Q) = 1720000 Btu/jam
Keterangan
Steam
light organics
Fluida panas
Fluida dingin
Laju alir (lb/jam)
110
40000
T masuk (oF)
320
160
T keluar (oF)
240
200
Jenis Fluida
Anulus
: 4 (IPS)
OD
: 4,50 in
;
ID
: 4,026 in
;
ID
: 3,068 in
Inner pipe : 3 (IPS)
OD
: 3,50 in
Surface per lin ft : 0,917 ft2/ft
1. LMTD (Log Mean Temperature Difference)
fluida panas, F
fluida dingin, F
selisih
320
temperatur tinggi
200
120
∆t2
240
temperatur rendah
160
80
∆t1
40
∆t2-∆t1
LMTD 

t2  t1
ln t2 / t1
40
ln( 120 / 80)
=98,65°F
2. Temperatur kalorik,
Ta 
ta 
T1  T2 320  240

 280 o F
2
2
t 1  t 2 160  200

 180 o F
2
2
3. Luas Perpindahan Panas (A)
a. Asumsi harga UD = 100 Btu/hr ft2 .
A
Q
1720000 Btu / jam

 109 ft 2
2
U D xt 160 Btu / jam. ft .F x98,65  F
untuk luas perpindahan panas (A) < 200 ft2, maka digunakan jenis alat penukar panas
jenis double tube heat exchanger (Kern, 1965).
Inner pipe :light organics
4. D = 3,08/12 =0,2557 ft
Flow area, ap =
πD2
4
= 0,0517 ft2
5. Mass velocity
Anulus :Steam
4’. Flow area
D2 = 4,026/12 = 0,3355 ft
D1 = 3,5/12 = 0,2917 ft
aa = 𝝅(𝐷22 - 𝐷12 )
= 0,02158 ft2
w
Gp = a
p
De =
lb
jam
2
D22 −D21
D1
40000
=
(pers. 6.3, Kern)
0,0517ft
= 773484lb/jam.ft2
6. Pada tc = 180 0F
μ = 0.67 cp x 2,42 = 1,6214
= 0,09425 ft
5’. Mass velocity
W
Ga = a
a
De = 0,99/12 = 0,0825 ft
Rep
=
= 39356
DGp
μ
lb
jam
110
= 0,02158 ft2
= 5097,3 lb/jam.ft
7.
jH = 115
6’. Pada Tc 280°F
8.
pada tc =180
μ = 0.01818 x 2,42 = 0,0438 lb/ft.jam
c = 0,592 Btu/lb.F
Rea =
k = 0,0956 Btu/jam.ft2(F/ft)
𝑐𝑝.𝜇
(
𝑘
De Ga
μ
= 10920
1
3
) = 2,157
𝑘
9. hi = jH x 𝐷 x (
𝑐𝑝.𝜇
𝑘
9’ ho = 1500 Btu/ft2.jam.F
1
3
)
= 287,488 Btu/ft2.jam.F
ID
10.
hi0 = hi x OD
= 253
11. clean overall coefficient, UC :
h
xh
UC = hi0 + h0
i0
0
= 241,25 Btu/jam.ft2.F
109
12. Required length = 0,917 = 118,86(digunakan 3 buah 20 ft hairpins)
13. Surface suplied = 120 ft x 0,917 ft = 110,04 ft2
UD =
Q
1720000 Btu/jam
=
A ∆t
110,04𝑓𝑡 2 . 98,65℉
UD aktual = 158,44 Btu/jam.ft2.F
14. Rd =
UC −UD
UC x UD
=
 
2
241,25  110,04
 0,0021hr  ft F  (pers.6.13, Kern)
Btu
241,25 x 110,04
Pressure drop
Inner pipe
Anulus
1’. De’ = D2 –D1(pers. 6.4, Kern)
1. Rep = 39356
0,264
f = 0,0035 + (39356)0,42
(pers. 3.47b, Kern)
= 0,0066
4𝑓𝐺𝑝2 𝐿
2. ∆Fp = 2𝑔𝜌2 𝐷
= 12,5 ft
Rea’ =
D′e Ga
μ
= 10920
0,264
s = 0.75
ρ = 46,875 lb/ft3
= 0,04383 ft
(tabel 6, Kern)
f = 0,0035 + 109200,42
(pers. 3,47b)
= 0,0088
s = 0,001851
∆Pp= 12,5 x 46,875 /144 = 4,06 psi
ρ = 0,1156 lb/ft3
4𝑓𝐺𝑎2 𝐿
2’. ∆Fa = 2𝑔𝜌2 𝐷𝑒 ′
= 224 ft
𝐺
3’. V = 3600𝜌
= 12,24 fps
𝑉2
Ft = 3(2𝑔′ ) = 6,98 ft
∆Pa =
(∆Fa + Ft )ρ
144
= 0,185 psi
∆P untuk double pipe<10 psi, dan Rd0,002, sehingga rancangan layak untuk digunakan.
Steam (482 ºC)
Light organics
(179.28 ºC)
Light organics(282.59 ºC)
Steam (464 ºC)
Gambar 5. Sketsa Reboiler Destilasi(E 413) Jenis Double Pipe
BAB III
KESIMPULAN
1. Reboiler adalah suatu alat yang digunakan untuk mengubah fasa cair menjadi fasa uap
dimana uap tersebut berfungsi sebagai media untuk proses pemisahan. Reboiler ialah
heat exchanger yang secara tipikal dipasang pada kolom destilasi. Reboiler
menghasilkan uap untuk separasi distilasi fraksional seperti condenser menghasilkan
refluks liquid yang mana dikembalikan kekolom.
2. Secara umum jenis reboiler yaitu kettle reboiler, thermosyphon reboiler, fired reboiler
dan forced sirkulasi reboiler.
3. Reboiler sebagai suatu sistem memerlukan peralatan tambahan lebih daripada sekedar
Heat Exchanger sebgai instrument, sehingga reboiler tidak dapat berdiri sendiri.