study perpindahan panas dan massa pada evaporasi

Jurusan Teknik Kimia
Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya
2010
STUDY PERPINDAHAN PANAS DAN MASSA
PADA EVAPORASI NIRA
DI DALAM FALLING FILM EVAPORATOR
DENGAN ADANYA ALIRAN UDARA
Dosen Pembimbing :
1. Prof.Dr.Ir Kusno Budhikarjono, MT
2. Prof.Dr.Ir Ali Altway, MS
Disampaikan oleh :
Evi Lestari Putri
(2308 100 506)
Winny Hardani
(2308 100 508)
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
PENDAHULUAN
PENDAHULUAN
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Latar Belakang
Meminimalkan biaya energi untuk operasi suatu
pabrik dengan cara menggantikan tekanan vakum
pada evaporator dengan menggunakan aliran udara.
Kelebihan
falling
film
evaporator:
1.
Memiliki waktu tinggal yang pendek
2. Untuk fluida yang sensitif terhadap panas
3. Mempunyai koefisien transfer panas yang baik
4. Membutuhkan ruang instalasi yang kecil.
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Latar Belakang
Pada penelitian ini digunakan sistem nira - udara
dengan menggunakan falling film evaporator.
Nira: - bahan baku utama dalam pabrik gula
- larutan berwarna hitam mengandung air,
sukrosa, gula reduksi, zat-zat selain gula,
senyawa anorganik, dan bentuk senyawa
nitrogen.
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Penelitian Sebelumnya
Peneliti
Tahun
Lingkup Penelitian
Lonkar, et al
1992
Mengembangkan aplikasi falling film evaporator
di industri gula di india mengingat efektifnya
kriteria perpindahan panas dan distribusi umpan.
Palen, et al
1994
mengadakan penelitian hubungan antara
perpindahan panas dan perpindahan massa,
untuk campuran biner ethylen glikol dan propilen
glikol, pada tekanan atmosfer, Penelitian ini
menggunakan distribusi film tipe plug flow melalui
celah. Kesimpulan yang diperoleh adalah
koefisien perpindahan panas untuk campuran
tidak terlalu tergantung pada suatu dinding dan
bilangan Reynolds tetapi sangat tergantung pada
komposisi campuran
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Penelitian Sebelumnya
Peneliti
Tahun
Lingkup Penelitian
Lailatul, et al
2000
mengadakan penelitian tentang pengaruh laju alir,
dan konsentrasi terhadap koefisien perpindahan
panas untuk larutan gula. Penelitian ini dilakukan
pada tekanan atmosferik. Hasil yang diperoleh
menunjukkan bahwa koefisien perpindahan panas
tergantung pada laju alir dan konsentrasi larutan.
Kusno
Budhikarjono,
et al
2006
Meneliti Perpindahan Panas dan Massa Penguapan
Falling Film untuk Campuran Uap – Gas.
Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa
meningkatnya laju alir udara, perpindahan panasnya
juga akan meningkat meskipun tidak signifikan
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Penelitian Sebelumnya
Peneliti
Tahun
Lingkup Penelitian
Aries Arthanto dan
Ferry Yoga MT
2007
Meneliti Perpindahan Panas dan Massa
Falling Film Evaporator untuk Sistem
Larutan CMC (Carboxy Methyl Cellulose) –
Udara. Laju liquida dan laju udara naik,
maka Koefisien perpindahan panas ikut
naik ; Konsentrasi liquida naik,
perpindahan panas akan turun.
Subhanuel Bahri,
dan Bambang Eddy
Santoso
2007
Mengadakan pengamatan yang
komprehensif tentang karakteristik dan
operasional plate falling film evaporator
(PFFE) dibandingkan turbular climbing
evaporator (TCFE). Hasilnya adalah pada
kecepatan penguapan dan koefisien
perpindahan panas untuk PFFE lebih
tinggi dibandingkan TCFE.
Laboratorium
Perpindahan
Panas
dandan
Massa
Laboratorium
Perpindahan
Panas
Massa
Penelitian Sebelumnya
Peneliti
Umar Sahid F. dan
Arik Yulianto
Tahun
2007
Lingkup Penelitian
Meneliti Perpindahan Panas dan Massa
Falling Film Evaporator untuk Sistem
Larutan nira – Udara (aliran udara
searah). Laju liquida dan laju udara naik,
maka Koefisien perpindahan panas ikut
naik ; Konsentrasi liquida naik,
perpindahan panas akan turun.
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Batasan Masalah
Penelitian falling
film evaporator
dengan
berlawanan arah
telah dilakukan
Untuk sistem
nira-udara
belum
dilakukan
penelitian
Dilakukan penelitian
yang dibatasi dengan :
 Laju alir nira
 Laju alir udara
 Konsentrasi awal
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk :
1. Mempelajari pengaruh laju alir udara dan laju alir
nira terhadap koefisien perpindahan panas dan
massa di dalam falling film evaporator
2. Menentukan
persamaan
empiris
koefisien
perpindahan panas dan massa secara eksperimen
di dalam falling film evaporator untuk sistem larutan
nira dengan aliran udara, pada bermacam-macam
laju alir cairan, laju alir udara, dan konsentrasi.
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
TINJAUAN PUSTAKA
METODOLOGI PENELITIAN
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Tinjauan Pustaka
Evaporator adalah alat untuk menguapkan zat pelarut
pada suatu larutan, sedangkan Evaporasi adalah proses
untuk memekatkan suatu larutan dengan menguapkan
zat pelarutnya. Berdasarkan cara perpindahan
panasnya dan uap yang bekerja evaporator dibedakan
menjadi 3, yaitu : rising film, falling film, dan forced
circulation flash
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Tinjauan Pustaka
Penggunaan falling film evaporator semakin
meningkat dalam proses industri kimia untuk
pemisahan campuran multikomponen yang
memiliki sifat (Hewit, et.al.,1993) :
– Sensitif terhadap panas.
– Dibutuhkan
driving
force
perbedaan
temperatur yang rendah.
– Dibutuhkan pressure drop yang rendah.
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
METODOLOGI PENELITIAN
METODOLOGI PENELITIAN
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Tahapan Penelitian
Secara keseluruhan penelitian ini dilakukan dengan
beberapa tahapan yaitu :




Penyusunan peralatan penelitian
Melaksanakan penelitian
Pengamatan data
Perhitungan dan analisa data
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Skema Peralatan
Kerterangan :
6
14
15
18
26
32
8
31
9
10
1
21
11
12
13
16
22
7
28
Air
Pendingin
17
2
19
29
24
30
35
Udara
25
27
3
4
33
34
20
5
23
1
: Evaporator
2
: tangki konsentrat
3
: tangki produk
4
: tangki kondensat
5
: tangki umpan
6
: tangki overflow
7
: kondensor
8-13 : pengukur suhu dinding
14 : pengukur suhu umpan
15 : pengukur suhu campuran uap–udara keluar
16 : pengukur suhu udara masuk
17 : pengukur suhu produk
18 : rotameter umpan
19 : rotameter udara
20 : alat pemanas tangki umpan
21 : alat pemanas evaporator
22 : alat pemanas udara
23 : pompa umpan
24 : sight glass
25 : kompresor
26 : distributor
27 : penunjuk level
28 : pengukur tekanan
29 : pipa pengambilan contoh produk
30 : by pass
31-35 : valve
Variabel Penelitian
Laju alir
umpan nira:
40 l/jam,
60 l/jam,
80 l/jam,
100 l/jam,
120 l/jam,
Laju alir Udara :
0 m3/jam,
1 m3/jam,
2 m3/jam,
3 m3/jam,
4 m3/jam,
5 m3/jam,
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Konsentrasi
umpan nira:
11%
12%
14%
22%
Tahap Perhitungan
Buat kurva kalibrasi
rotameter udara dan
cairan
Hitung suhu dinding ratarata, ΔTw rata-rata
Hitung laju
laju alir
alirmassa
massa
umpan, F
dan produk,
P
produk
,P
Hitung fluks panas, Q
Hitung koefisien
perpindahan panas, h
Hitung bilangan tak
berdimensi (NRe,L, NRe,G,
NPr, NNu)
Hitung koefisien
perpindahan massa, β
Hitung bilangan tak
berdimensi (NSc, NSh)
Hitung harga konstanta untuk
korelasi perpindahan panas dan
massa
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
HASIL PENELITIAN dan PEMBAHASAN
METODOLOGI PENELITIAN
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Pengaruh Laju Alir Udara Terhadap
Penurunan Titik Didih Larutan
90
88
Nira 40 l/jam
Nira 60 l/jam
Ts ( C)
86
Nira 80 l/jam
Nira 100 l/jam
84
Nira 120 l/jam
82
80
78
0
1
2
3
4
Laju Alir Udara (m3/jam)
5
6
Gambar Suhu jenuh (Ts) vs laju alir udara pada konsentrasi 11%
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Pengaruh Laju Alir Nira
Terhadap Koefisien Perpindahan Panas
Koefisien perpindahan panas, hi (kW/m2.K)
5
4,5
4
udara 0 m3/jam
udara 1 m3/jam
udara 2 m3/jam
udara 3 m3/jam
udara 4 m3/jam
udara 5 m3/jam
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0
20
40
60
80
Laju Alir Nira (l/jam)
100
120
140
Gambar koefisien perpindahan panas (hi) vs laju alir nira
pada konsentrasi 11%
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Koefisien perpindahan panas, hi (kW/m2.K)
Pengaruh Laju Alir Udara Terhadap
Koefisien Perpindahan Panas
4
3,5
3
Nira 40 l/jam
2,5
Nira 60 l/jam
2
Nira 80 l/jam
Nira 100 l/jam
1,5
Nira 120 l/jam
1
0,5
0
0
1
2
3
4
5
6
Laju Alir Udara (m3/jam)
Gambar koefisien perpindahan panas (hi) vs laju alir udara
pada konsentrasi 11%
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Koefisien perpindahan panas, hi (kW/m2.K)
Pengaruh Konsentrasi Terhadap
Koefisien Perpindahan Panas
3,5
3
2,5
Nira 40 l/jam
2
Nira 60 l/jam
Nira 80 l/jam
1,5
Nira 100 l/jam
Nira 120 l/jam
1
0,5
0
10
12
14
16
18
20
22
24
Konsentrasi (%)
Gambar koefisien perpindahan panas (hi) vs konsentrasi
pada laju alir udara 1 m3/jam
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Korelasi Empiris
A. Perpindahan Panas
1/ 3
2
h
kL
L
L
G
g
0,000175N Re,l
0 , 66306
N Pr
3,81261
(1)
(tanpa udara)
Persamaan korelasi diatas mempunyai deviasi berkisar antara 3,0621%
sampai dengan 14,1066%.
h
kL
1/ 3
2
L
L
G
g
0,000154N Re,l
0 , 66656
N Pr
2, 94818
N Re,G
0, 03061
(2)
(dengan udara)
Persamaan korelasi diatas mempunyai deviasi berkisar antara 12,3754%
sampai dengan 23,2439%
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Korelasi Empiris
N Nu
0,00255NRe,l
0,99659
NPr
3,87653
(3)
(tanpa udara)
Persamaan korelasi diatas mempunyai deviasi berkisar antara 2,8332%
sampai dengan 14,0174%
N Nu
0,00220NRe,l
1, 00094
NPr
2,99031
NRe,G
0, 03263
(4)
(dengan udara)
Persamaan korelasi diatas mempunyai deviasi berkisar antara 12,3398%
sampai dengan 23,2984%
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Korelasi Empiris
B. Perpindahan Massa
N Sh
7,46E 12NRe,l
0,96837
N Sc
(5)
4, 25447
(tanpa udara)
Persamaan korelasi diatas mempunyai deviasi berkisar antara 2,8249%
sampai dengan 38,8526%
N Sh
2,04E 07NRe,l
1, 02996
N Sc
2, 02688
NRe,G
0,13710
(6)
(dengan udara)
Persamaan korelasi diatas mempunyai deviasi berkisar antara 15,0675%
sampai dengan 21,6177%
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
KESIMPULAN
METODOLOGI PENELITIAN
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Kesimpulan
1. Adanya aliran udara berpengaruh pada penurunan suhu
jenuh (Ts). Semakin besar laju alir udara, semakin kecil
suhu jenuh larutan.
2. Semakin besar laju alir nira, semakin besar koefisien
perpindahan panas dan massa.
3. Adanya aliran udara membuat koefisien perpindahan panas
dan massa meningkat namun tidak begitu signifikan.
4. Semakin pekat konsentrasi larutan nira, semakin kecil
koefisien perpindahan panas dan massa.
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Penutup