Pemilihan tipe baffle di shell and tube heat exchanger

Ada artikel menarik dr Salem Bouhairie, researcher dr HTRI (Heat Transfer Research Inc.) di majalah CEP (Chemical Engineering Progress) Februari 2012. Artikelnya mengenai pemilihan baffle di shell and tube heat exchanger. Point2 berikut saya tuliskan berdasarkan pemahaman saya thd artikelnya. Satu kalimat plg penting menurut saya di dlm artikelnya adalah “selain memberikan kestabilan kpd tube, baffle jg meningkatkan heat transfer rate dgn mengorbankan pressure drop”.

Berdasarkan design TEMA (tubular exchanger manufacturers association), baffle didesain dgn memotong sebagian drnya utk memberikan window agar fluida bisa melewatinya. Sederhananya, desain TEMA adalah segmental baffle, baik itu satu segment, dua segment, maupun tiga segment, spt gbr di bwh ini:

Gbr 1

Single segmental baffle (baffle satu segment) beroperasi dgn baik utk proses satu fasa dan memberikan cross flow heat transfer (across the tube) yg lbh besar drpd longitudinal heat transfer (through the windows). Akan tetapi, baffle jenis ini mungkin tidak akan efektif utk liquid yg sgt viscous di mana aliran tidak mengalami turbulensi dan adanya bypass yg membuat efisiensi heat transfer nya menurun. Keuntungan utama dr baffle jenis single segmental ini adalah heat transfer rate yg tinggi krn aliran cross flownya. Kerugian utamanya adalah pressure drop yg jg tinggi, terutama utk aliran berkecepatan tinggi.

Gbr 2

Double segmental baffle, spt bisa dilihat di gbr di atas, memberikan cross flow heat transfer yg lbh rendah (60% – 90%) utk spacing yg sama, total baffle cut yg sama, dan flow rate yg sama dibandingkan dgn single segmental baffle. Akan tetapi, pressure dropnya sekitar sepertiga sampai setengah dr pressure drop single segmental baffle. Pada umumnya, center dan wing baffle punya overlap dua sampai empat baris tube.

Triple segmental baffle menghasilkan cross flow dan longitudinal flow yg lbh rendah drpd single segmental baffle. Pressure dropnya sekitar seperempat sampai sepertiga dr single segmental baffle. Sementara heat transfer ratenya cuma setengahnya.

Utk konfigurasi No-Tubes-In-Window (NTIW) di gbr pertama, tidak adanya tubes di bagian window menurunkan pressure drop, sementara penambahan support plates meningkatkan cross flow. Secara relatif, penurunan pressure drop tergantung dr baffle cutnya, dan peningkatan heat transfernya tergantung dr jumlah support plate yg digunakan. Support plate digunakan utk meminimalkan vibrasi tube di daerah windownya. Krn tube gak bisa menempati daerah window, maka utk jumlah tube yg sama diperlukan shell yg lbh besar.

Untuk pemilihan baffle spacing sendiri, si penulis memberikan rekomendasi sbb:

  1. Menurut TEMA, spacing minimum antara segmental baffle haruslah yg lbh besar di antara dua hal, yaitu 1/5 dr diameter dalam shell atau 51 mm. Spacing yg terlalu kecil akan menghasilkan pressure drop yg besar dan penetrasi flow melalui tube bundle nya akan tidak baik.

Rasio optimum antara baffle spacing dgn diameter dlm shell yg menghasilkan pressure drop yg reasonable berkisar antara 0.3 – 0.6 kalinya.

  1. Untuk meningkatkan end-zone flow control dan distribusinya, baffle yg terdekat dgn inlet shell dan outlet shell hrs diletakkan sedekat mungkin dgn inlet dan outlet nozzle shell tsb.

Utk pemilihan baffle cut, si penulis merekomendasikan hal2 berikut:

  1. Jika baffle cutnya terlalu kecil, maka flow akan mengalir dgn sgt cepat melalui area windownya dan mengalir dgn tidak seragam sepanjang baffle compartmentnya. Lihat gbr 3a sblh kiri.
  2. Jika baffle cutnya terlalu besar, maka flow akan mengalir short cut di daerah ujung2 (edge) baffle2 tsb. Akibatnya tidak aka nada cross flow mixing di daerah baffle compartment. Lihat gbr 3a sblh kanan.
  3. Utk menghasilkan cross flow yg baik melalui tube bundlenya, baffle2 yg bersebelahan harus memiliki overlap setidaknya satu baris tube. Hal ini memerlukan baffle cut kurang dr setengah dr diameter dalam shell. Optimum baffle cut biasanya sekitar 25% dr diameter dalam shell. Lihat gbr 3b. Utk single segmental baffle dgn low-pressure gas flow, baffle cut 40% – 45% umum digunakan utk mengurangi pressure drop. Utk konfigurasi NTIW, baffle cut 15% yg biasanya digunakan.

Gbr 3a

Gbr 3b

Baffle orientation utk single segmental baffle, rekomendasinya adalah:

  1. Perpendicular baffle cut (lihat gbr. 4) lbh dipilih utk meningkatkan distribusi aliran di bagian inlet dan outlet di shell tipe E atau J.
  2. Parallel cut baffle lbh disukai, utk inlet atau outlet nozzle yg vertical, jika fluida di sisi shell mengalami kondensasi dan memerlukan drainase. Parallel baffle cut jg digunakan ketika fluida di sisi shell memiliki potensi fouling. Dan utk shell tipe F, G, atau H, parallel baffle cut jg digunakan utk memberikan distribusi aliran yg baik

Gbr 4

Remarks utk double segmental baffle adalah sbb:

  1. Agar distribusi flow jd efektif di daerah inlet, center baffle dgn parallel cut orientation umumnya digunakan sebagai baffle yg pertama. Baffle ini jg berfungsi utk menurunkan akumulasi deposit utk fluida yg cenderung fouling di shell side. Baffle yg pertama ini lbh baik diletakkan di depan nozzle di mana laju alir yg tinggi dpt menyebabkan vibrasi. Baffle ini seringnya berbentuk spt T yg berfungsi jg sbg tube support di mana bundle entrance velocities nya memiliki energy kinetic yg tinggi. (Gbr5 atas)
  2. Jika perpendicular baffle cut digunakan utk single inlet dan outlet nozzle, daerah yg thermally tidak efektif akan terbentuk di daerah2 inlet dan outlet zone ini (end-zone) (Gbr 5 tengah).
  3. Distribusi aliran yg lbh baik di daerah end-zone ini dpt dicapai dgn memberikan masing2 dua nozzle di inlet dan outletnya. Dan wing baffle diletakkan di end-zone outlet nozzle agar diperoleh aliran yg lbh simetris antara inlet dan outletnya (Gbr 5 bawah).

Gbr 5

Ada bbrp tipe baffle yg bukan standard TEMA spt helical baffle (Gbr6), disc and donut baffle (Gbr7), dan grid baffle (Gbr 8).

Helical baffle menghasilkan swirling flow utk menghindari aliran bypass dan stagnant flow area yg umum terjadi di segmental baffle. Baffle jenis ini efektif utk fluida dgn viskositas yg rendah ke tinggi. Umumnya digunakan di oil refinery dan refrigeration. Keuntungan lainnya adalah:

  • Fouling di shellside lbh rendah drpd segmental baffle.
  • Kecenderungan utk tube vibration jg rendah krn tube2nya disupport oleh baffle2 yg spt helix itu.

Gbr 6

Disc and donut baffle menghasilkan flow yg simetris secara radial di arah crossflow dan longitudinal nya. Baffle tipe ini sgt efektif utk sisi shell yg berisi vapor dan biasanya digunakan utk aplikasi gas-gas

Gbr 7

Grid baffle menghasilkan aliran yg lbh longitudinal. Aliran di sisi shellnya lbh seragam yg cukup penting utk vaporization di sisi shell krn dgn demikian tidak akan ada isu vapor pockets. Tipe grid baffle yg plg umum adalah rod dan strip baffle (Gbr8).

Gbr 8

Secara keseluruhan si penulis menyatakan bahwa baffle berperan sgt penting utk shell and tube heat exchanger krn tidak hanya mengatur aliran fluida di shell ttp jg memberikan tube support. Meskipun baffle dr TEMA mudah dibuat, biasanya baffle2 tsb menghasilkan pressure drop yg lbh tinggi drpd baffle2 non TEMA. Table di bawah menyimpulkan kelebihan dan kekurangan jenis2 baffle yg diutarakan di atas (diadaptasi dr paper tsb):

4 Comments (+add yours?)

  1. Novan Ardhiyangga
    Nov 22, 2015 @ 19:18:19

    Artikelnya menarik gan, bahasanya mudah dipahami..
    Kebetulan tugas akhir saya ttg studi eksperimental STHE gan,
    kalo utk susunan disc and donut baffle itu kira2 duluan yg mana gan antara baffle disc atau donut yang terdekat dgn inlet/outlet nozzle ?
    Terima kasih.

    Reply

    • zapthegreat
      Nov 24, 2015 @ 05:18:37

      Terima kasih Mas Novan,

      Agar menghasilkan cross-flow dengan tubenya, sehingga heat transfer coefficientnya lebih besar, seharusnya dipasang yg donut. Sama seperti penempatan baffle biasa di dekat inlet/outlet dengan baffle cutnya berada di bagian paling jauh dari inlet/outlet.

      Semoga berhasil tugas akhirnya. Klo boleh, disharing hasil eksperimentalnya jadi kita bisa belajar bersama2.
      Zulfan

      Reply

  2. MsPemberontak
    Aug 24, 2016 @ 16:59:36

    Mas mau nanya apa sih perbedaan baffle longitudinal sama transfersal thx
    dijawab ya

    Reply

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: