Mengenal HE (Heat Exchanger) dan Aplikasinya Bagian 1

Hampir semua pabrik kimia atau industri proses menggunakan alat penukar panas atau HE (heat exchanger) dalam operasionalnya. Peran HE cukup vital pada pabrik kimia, hal ini karena suatu proses hanya akan terjadi apabila suhu (temperature) sebagai salah satu variabel kondisi operasi proses tercapai. Berbagai jenis dan tipe alat penukar panas (HE) digunakan di industri tersebut tergantung tujuan dan karaktetistik bahan yang diproses. Seorang pengusaha pembuat HE mengatakan “meskipun HE adalah peralatan mekanik statis, tetapi banyak hal yang terjadi didalamnya – dalam hal flow, direction dan velocity, and fouling . Dan tidak ada rule of thumb yang bisa menjelaskan apa yang terjadi pada peralatan itu pada titik dan waktu tertentu”. Tentu ini akan menarik untuk ditelusuri lebih jauh.

Pengetahuan tentang karakteristik fluida yang mengalir dalam HE dan kondisi prosesnya adalah hal sangat penting karena akan berdampak secara langsung pada kinerja HE selama operasi dan umur pakai dari HE itu sendiri. Type HE tergantung dari tujuannya dan jenis fluida yang digunakan, misal untuk kondensasi dengan beban pnas (heat load) rendah, maka penukar panas pipa koil (pipe coil exchanger) bisa digunakan walaupun memerlukan area yang besar. Pipe coil exchanger digunakan dengan membenamkannya dalam air atau menyemprotnya (spray) dengan air untuk pertukaran panasnya. Sedangkan untuk liquid-liquid service yakni bukan untuk mendidihkan (boiling) atau pengembunan (condensing), maka HE tipe plate and frame paling banyak digunakan. Ada lagi tipe HE double pipe, shell and tube dan sebagainya, Tipe HE shell and tube paling banyak populer dan banyak digunakan di pabrik kimia hari ini. Dalam artikel singkat ini akan dibahas sedikit lebih detail tentang HE shell and tube.

HE shell and tube masuk dalam kelompok HE tubular. Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) mengklasifikasikan HE berdasar variasi spesifikasi desain termasuk termasuk American Society of Mechanical Engineers (ASME) construction code, toleransi dan mechanical design :
a. Class B, dirancang untuk operasi kebutuhan umum (general pupose) – penekanan pada sisi             ekonomi dan desain yang kompak.
b. Class C, dirancang untuk operasi medium dan operasi kebutuhan umum (general purpose) -              penekanan pada sisi ekonomi dan desain yang kompak.
c. Class R. Dirancang untuk kondisi berat. - penekanan pada safety & durability

Cara pertukaran panas meliputi konduksi, konveksi dan radiasi. Kombinasi konduksi dan konveksi dapat ditemukan pada semua HE, sedangkan cara radiasi tidak digunakan. Kondisi ideal untuk pertukaran panas (heat teansfer) adalah perbedaan yang besar antara produk yang dipanasi dan didinginkan (semakin besar perbedaan suhu tersebut, semakin tinggi transfer panasnya), tingginya aliran media pemanas atau media pendingin, dan luasnya kontak dari HE tersebut. Ada 2 tipe aliran dalam aliran fluida yakni laminar dan turbulent. Kondisi aliran turbulent inilah yang diinginkan sehingga proses transfer panas berjalan efektif. Hal ini karena pada aliran turbulent aktivitas molekuler dipercepat sampai fluida turbulent secara seragam, yang membuat molekul-molekul dari fluida bercampur dan menyerap panas lebih baik daripada aliran laminar. Pada aliran laminar mendorong terbentuknya film statis, yang berfungsi sebagai isolator. Sedangkan pada aliran turbulent mengurangi ketebalan film statis, dan meningkatkan kecepatan transfer panasnya. Pada prakteknya sejumlah HE bisa digunakan bersamaan dengan cara dihubungkan secara seri atau paralel.  Dua metode yang paling umum digunakan.

HE Shell and Tube seperti dikatakan diatas sebagai HE yang paling populer dan paling banyak digunakan di pabrik kimia, yang hal ini karena terutama kemampuannya menghandle flow rate yang tinggi secara kontinyu. Susunan pipa (tube) tergantung dari prosesnya dan jumlah transfer panas yang dibutuhkan. Transfer panas terjadi dengan urutan konduksi lalu diikuti dengan konveksi. Aliran fluida masuk dan keluar HE dirancang untuk specific liquid-vapor service. Cairan bergerak dari bawah ke atas untuk menghilangkan atau mengurangi uap terjebak di sistem. Sedangkan gas bergerak dari atas ke bawah untuk menghilangkan cairan yang terjebak atau terakumulasi. Standard ini diterapkan pada aliran tube-side maupun shell-side.

HE shell and tube memiliki istilah yang mewakili tiga bagian utama HE ini, yakni  front end, shell or middle section dan rear end. Setiap bagian tersebut memiliki sejumlah variasi tergantung penggunaan HE tersebut. Sedangkan ditinjau dari alirannya HE ini memiliki sejumlah variasi aliran, yakni single pass, double pass, split flow, double split flow, divided flow, kettle dan cross flow.