2 Disain Evaporator Efek Tunggal

EVAPORASI
Yusron Sugiarto, STP, MP, MSc
1







EVAPORASI
ISI BAHASAN
I. PENDAHULUAN
1.1.Konstruksi Dasar Evaporator
1.2.Pepindahan Kalor di dalam Evaporators
1.3.Pengaruh sifat larutan umpan terhadap evaporasi
1.4.Neraca Massa
 II.PERALATAN YANG DIGUNAKAN UNTUK EVAPORATOR
 2.1
Evaporator Sirkulasi Natural
 2.2 Evaporator Sirkulasi Paksa
 2.3 Evaporator Tabung Panjang

 III.
 3.1
HEAT CONSERVATION
Multiple Effect Evaporators
 3.2 Vapour Recompression
2
I. PENDAHULUAN
Definisi: Evaporasi, salah satu metoda yang digunakan untuk
pengentalan larutan, dengan pelepasan air dari larutan tersebut
melalui pendidihan di dalam suatu bejana, evaporator serta
mengeluarkan hasil uapnya.
Manfa’at utama evaporasi di dalam bioproses:
a. Pengentalan awal cairan sebelum proses lanjut
b. Pengurangan volume cairan
c Untuk menurunkan aktivitas air
Cara kerja
Evaporasi dilakukaan dengan menambahkan kalor pada larutan
untuk menguapkan bahan pelarut. Secara prinsip kalor dipasok
untuk kalor laten penguapan.
Syarat Perancangan:
Desain suatu unit evaporasi memerlukan aplikasi praktis data
perpindahan kalor pada cairan yang sedang mendidih, bersama
dengan realisasi apa yang terjadi terhadap cairan selama
pengentalan
3
Panas adalah energi yang diterima oleh benda sehingga suhu benda
atau wujudnya berubah. Ukuran jumlah panas dinyatakan dalam
notasi British Thermal Unit (BTU). Air digunakan sebagai standar untuk
menghitung jumlah panas karena untuk menaikkan temperature 1o F
untuk tiap 1 lb air diperlukan panas 1 BTU.
Panas jenis suatu benda artinya jumlah panas yang diperlukan
benda itu agar temperaturnya naik 1o F.
Panas sensible adalah panas yang menyebabkan terjadinya
kenaikan/penurunan temperatur, tetapi phasa (wujud) tidak berubah.
Panas laten adalah panas yang diperlukan untuk merubah phasa
(wujud) benda, tetapi temperaturnya tetap.
Panas laten penguapan(latent heat of vaporization) adalah
jumlah panas yang harus ditambahkan kepada zat (cair)pada titik
didihnya sampai wujudnya berubah menjadi uap seluruhnya pada suhu
yang sama.
4
besar panas laten dan perubahan suhu fase dari beberapa cairan umum dan gas
5
1.1
Konstruksi Dasar Evaporator
Sistem evaporator industri pada umumnya terdiri atas :
1. Sebuah penukar kalor untuk memasok kalor sensibel dan kalor
laten penguapan pada umpan. Di dalam industri bioproses, uap
(steam ) jenuh dipergunakan sebagai medium pemanas.
2. Sebuah separator yang di dalamnya uap dipisahkan dari phasa
cair kentalnya.
3. Sebuah kondensor untuk penghasil kondensasi uap dan
pembuangan dari sistem . Ini dapat dihilangkan jika sistem bekerja
pada kondisi atmosphere.
Di dalam industi bioproses, resiko kerusakan karena panas pada
cairan yang dikentalkan kadangkala meningkat jika evaporasi
dilakukan pada tekanan atmospher sehingga biasanya penguapan
dilakukan
pada tekanan lebih rendah dari pada tekanan
atmosphere.
6
7
CONDENSER
Two general types of condensers are used.
1.
A surface condenser is used when the vapors need to be
recovered. This type of condenser is actually a heat
exchanger cooled by refrigerant or by cooling ater. The
condensate is pumped out of the condenser. It has a high first
cost and is expensive to operate. For this reason it is seldom
used if an alternative is available.
2.
The other type of condenser is one where cooling water
mixes directly with the condensate. This condenser may be a
barometric condenser where vapors enter a water spray
chamber on top of a tall column. The column full of water is
called a barometric leg and the pressure of water in the
column balances the atmospheric pressure to seal the system
and maintain a vacuum.
8
CONDENSER
The condenser duty qc is the amount of heat that must be
removed to condense the vapor.
where V is the quantity of vapor to be condensed, hg is the enthalpy of
the vapor in the vapor chamber of the evaporator, and hfc is the
enthalpy of the liquid condensate.
For direct contact condensers, the amount of cooling water required per
unit amount of vapor condensed can be determined by a heat balance:
where W is quantity of cooling water required, and hfw is enthalpy of
cooling water entering the condenser.
9
CONDENSER
Home work
Example
Calculate the ratio of cooling water to vapor for a direct contact
barometric con-denser for an evaporator operating at a vapor
temperature of 130◦F. What would be the minimum height of
the water column in the barometric leg for the evaporator to
operate at this temperature? Cooling water is at 80◦F.
Atmospheric pressure is 760 mm Hg.
1.2 Perpindahan Kalor di dalam Evaporator
1.2.1
Koefisien Perpindahan Kalor
Persamaan perpindahan kalor mempunyai bentuk :
Q= U A dT
dimana Q adalah kalor terpindah per satui satuan waktu, U koefisien
perpindahan kalor keseluruhan, A luas permukaan perpindahan kalor
dan dT beda suhu antara dua arus.
Contoh:
Udara pada suhu 20 0C bertiup diatas plat panas 50 x
75 cm. Suhu plat dijaga tetap 250 0C. Koefisien perpindahan
kalor konveksi adalah 25 W/m2 0C. Hitunglah perpindahan
kalor.
11
Penyelesaian
Dari persamaan :
q = U A (Tw - T∞)
= (25)(0,50)(0,75)(250 – 20)
= 2,156 kW
1.2.2
Tahanan terhadap perpindahan kalor
a. Koefisien perpindahan kalor lapis film kondensasi pada sisi steam
dari penukar kalor .
b. Koefisien lapis film cairan yang sedang mendidih pada sisi cairan
dari penukar kalor.
c. Faktor karat atau fouling factors pada kedua dinding dalam dan
luar pembatas permukan perpindahan kalor .
d. Tahanan panas bahan dinding (The thermal resistance of the wall
material)
12
Soal 1 :
Apabila kalor pada evaporator sebesar 3
KW. Desain ini menjaga suhu plat pada 300
0C. Koefisien perpindahan kalor konveksi
adalah 15 W/m2 0C. Berapakah suhu udara
yang bertiup diatas plat panas 150 x 115 cm?
13
Soal 2:
Tentukan ukuran plat yang tepat utuk
evaporator
yang
digunakan
untuk
mengentalkan sukrosa. Apabila kalor pada
evaporator sebesar
15 KW. Desain ini
menjaga suhu plat pada 120 0C. Koefisien
perpindahan kalor konveksi adalah 25 W/m2
0C dengan suhu udara yang melewati plat
sebesar 30 0C
14
1.2.3
Kenaikan Titik Didih
a. Kenaikan titik didih larutan
Kenaikan titik didih larutan lebih tinggi dari pada pelarut murni pada
tekanan yang sama. Semakin kental larutan, semakin tinggi titik didih.
b. Methoda sederhana untuk memperkirakan kenaikan titik didih
adalah dengan menggunakan hukum Dühring, yang menyatakan
bahwa terdapat hubungan linier antara suhu didih larutan dan suhu
didih air pada tekanan yang sama. Kaitan linier tersebut tidak berlaku
pada jangkau suhu yang lebar, hanya pada jangkau yang dapat
diterima saja.
15
1.3 Pengaruh sifat-sifat larutan umpan terhadap evaporasi
Dasar pemilihan tipe evaporator :
1.3.1 Kekentalan
1.3.2 Fouling
1.3.3 Entrainment dan Foaming
1.3.4 Kepekaan suhu
1.3.5 Kehilangan Aroma
1.4 Neraca Masssa
Neraca massa menyatakan bahwa :
input = output
16
II . Peralatan Yang Digunakan Untuk Evaporasi
Tipe-tipe evaporator tersedia sebagai berikut :
2.1 Evaporator Sirkulasi Natural
2.1.1 Evaporator pan terbuka
2.1.2Tabung horizontal pendek
2.1.3Tabung vertical pendek
2.1.4Evaporator sirkulasi natural dengan kalandria luar
2.2 Forced Circulation Evaporators
2.3 Long Tube Evaporators
17
Skema evaporator :
dimana :
m : massa (kg)
T : suhu (0C)
H : enthalpi (kJ/kg)
x : kadar (%)
y : kadar (%)
W: berat ( N)
subkrip:
f : umpan
u : uap air
s : steam
L : larutan
i : inlet
o : outlet
18
Uap
Aliran sirkulasi
cairan
Umpan
Steam
Steam
mengembun di luar
tabung
Pendidihan di
dalam tabung
drips
Cairan
kental
Diagram penampang melintang evaporator standar tabung vertikal
dengan sirkulasi natural
19
Uap
Umpan
Steam
Berkas tabung
Kondensat
Cairan kental
Diagram penampang melintang evaporator tabung horizontal
20
Uap
Ruang pemisah
entrainment
Baffle untuk pemisah
cairan dan uap
Pendidihan di dalam
tabung
Steam ( mengembun
di luar tabung)
Resirkulasi
Cairan kental keluar
drips
Diagram penampang melintang evaporator tabung
vertikal dengan sirkulasi paksa
21
2.3.4 Contoh
2.3.4.1.
Evaporator Efek Tunggal
Sebuah evaporator efek tunggal digunakan untuk mengentalkan 7
kg/s larutan dari 10 menjadi 50% padatan. Steam tersedia pada 205
kN/m2 dan evaporasi berlangsung pada 13.5 kN/m2. Jika koefisien
perpindahan kalor keseluruhan 3 kW/m2.K, hitunglah pemukaan
pemanasan yang diperlukan serta jumlah steam yang digunakan jika
umpan ke evaporator berada pada 294 K dan kondensat keluar dari
ruang pemanasan pada 352.7 K. diketahui kalor spesifiklarutan 10 % =
3.76 kJ/kg.K; kalor spesifi larutan 50% = 3.14 kJ/kg.K. Asumsikan tidak
ada kenaikan titik didih.
Solusi:
Dari tabel uap, dengan asumsi steam kering dan jenuh pada 205
kN/m2, suhu steam = 394 K dan enthalpi total= 2530 kJ.kg-1.
Pada 13.5 kN/m2 air mendidih pada 325 K. Selama tidak ada kenaikan
titik didih, akan dipakai sebagai suhu evaporasi. Enthalpi total steam
pada 325 K adalah 2594 kJ/kg.
Umpan yang mengandung 10 % padatan dipanaskan dari 294 K
sampai 325 K yang merupakan suhu operasi evaporasi berlangsung.
22
Neraca massa
Umpan 10%
Produk 50%
Evaporasi
Padatan Air
kg/s
kg/s
0.7
6.3
0.7
0.7
5.6
Total
kg/s
7
1.4
5.6
Dengan menggunakan suhu acuan 273 K:
Kalor masuk bersama umpan= (7.0 ´ 3.76) (294 - 273) = 552.7 kW
Kalor keluar bersama produk = (1.4 ´ 3.14) (325 - 273) = 228.6 kW
Kalor keluar bersama air teruapkan = (5.6 ´ 2594) = 14 526 kW
kalor terpindah dari steam = (14 526 - 228.6) - 552.7 = 14 202 kW
Steam mengembun keluar pada 352.7 K, dengan enthalp = 4.18 (352.7 - 273)
= 333.2 kJ/kg
kalor terpindah dari 1 kg steam = (2530 - 333.2) = 2196.8 kJ/kg
maka steam yang dibutuhkan = 14202 kW/ (2196.8 kJ /kg)= 6.47 kg/s
23
Beda antara suhu steam yang mengembun dan suhu air yang menguap
sebagai pemanasan pendahuluan larutan yaitu
DT = (394 - 325) = 69 K
Jadi
A
Q
U T
A
14202
3  69 
A , luas permukaan pemanasan ruang evaporator = 68.6 m2
24
2.3.4.1
Contoh 2
Disain Evaporator Efek Tunggal
Jus apel sedang dikentlkan di dalam evaporator tunggal sirklasi natural. Pada
kondisi tunak, larutan jus merupakan umpan pada laju 0.67 kg/s. konsentrasi
larutan jus 11% bahan padatan total . Jus dikentalkan sampai 75% padatan
total. Kalor spesifik larutan apel dan konsentrat masing-masing 3.9 dan 2.3
kJ/kg.°C. Tekanan uap terukur sebesar 304.42 kPa. Suhu masuk umpan 43.3
°C. Produk di dalam evaporator mendidih pada 62.2 °C. Koefisien perpindahan
kalor keseluruhan 943 W/m2.°C. Asumsikan tidak ada kenaikan titik didih.
Hitunglah laju alir massa produk konsentrat , kebutuhan steam, ekonomi steam
dan area perpindahan kalor !
Solusi:
Diketahui :
Laju alir massa umpan, mf = 0.67 kg/s
Konsentrasi umpan xf = 0.11
Konsentrasi produk xp = 0.75
Tekanan Steam = 304.42 kPa
Suu umpan Tf = 43.3 °C
Suhu pendidihan dalam evaporator, T1 = 62.2 °C
Koefisien perpindahan kalor keseluruhan = 943 W.m-2.K-1
Kalor spesifik larutan umpan cpf = 3.9 kJ/kg.°C
Kalor spesifik produk konsentrat cpp = 2.3 kJ/ kg.°C
25
Pendekatan
Akan digunakan neraca massa dan kalor untuk menentukan yang belum
diketahui. Nilai enthalpi untuk steam dan uap diperoleh dari tabel uap.
Solution
Neraca massa :
0.11 ´ 0.67 kg.s-1 = 0.75 mp
mp = 0.098 kg/s
Jadi laju alir massa produk konsentrat adalah 0.098 kg/s dan laju alir massa
uap sebesar 0, 57 kg/s .
Neraca kalor : Memerlukan penyelesaian neraca enthalpi berikut
mfHf
+ msHv = mvHv + mpHp + msHc
umpan + steam = uap + produk + kondensat
Tentukan Hf dan Hp seperti berikut :
Hf = 3.9 ´ (43.3 -0) = 168.9 kJ/kg
Hp= 2.3 ´ (62.2 - 0) = 143.1 kJ/kg
Dari tabel uap :
Suhu steam pada 304.42 kPa = 134 °C
Enthalpi uap jenuh Hv (Ts = 134 °C) = 2725.9 kJ/kg
26
Enthalpi untuk konsentrat jenuh Hc (Ts = 134 °C) = 563.41 kJ/kg
Enthalpi untuk uap jenuh Hv (Ts = 134 °C) = 2613.4 kJ/kg
(0.67 x 168.9) + (ms x2725.9) = (0.57 x2613.4) + (0.098 x 143.1) + (ms x 563.41)
2162.49 ms = 1390.5
ms = 0.64 kg/s
Ekonomi Steam :
Gunakan mv / ms = 0.57 / 0.64 = 0.89 kg air diuapkan / kg steam
Luas permukaan penukar kalor :
Gunakan rumus q = UA (Ts - T1) = ms.Hv - ms.Hc
A x 943 x (134 - 62.2) = 0.64 x 1000 (2725.9 - 563.14)
A = luas permukaan pertkaran kalor yang diperlukan seluas 20.4 m2
27
III. KONSERVASI KALOR
3.1. Evaporator Efek Banyak (Multiple Effect Evaporators)
3.1.1. Pronsip Umum
Ditinjau dirangkai tiga buah evaporator ,masing-masing unit memiliki suhu
dan tekanan T1, T2, T3, dan P1, P2, P3, jika cairan tidak mempunyai kenaikan
titik didih maka kalor terpindah per satu satuan waktu melintas setiap efek
akan menjadi :
Efef 1
Q1 = U1 A1 D T1,
dimana D T1 = (To - T1),
Efek 2
Q2 = U2 A2 D T2,
dimana D T2 = (Tl - T2),
Efek 3
Q3 = U3 A3 D T3,
dimana D T3 = (T2 - T3)
To = suhu steam awal, Tf = suhu umpan. Dengan mengabaikan kalor yang
diperlukan untuk memanasi umpan dari Tf to T1, kalor Q1 yang dipindah
melintas A1 muncul sebagai kalor laten di dalam uap D 1 dan digunakan
sebagai steam dalam efek kedua , dan :
sedemikian hingga
Q1 = Q2 = Q3
U1 A1 D T1 = U2 A2 D T2 = U3 A3 D T3
28
Jika , seperti dalam banyak kasus. Masing-masing efek sama ,A1 = A2 =
A3, sehingga :
U 1 D T 1 = U 2 D T2 = U 3 D T 3
Simplifikasi ditunjukkan dengan :
(a) kalor yang dibutuhkan untuk memanasi umpan dari To ke T1 telah
diabaikan, dan
(b) cairan yang melintas dari efek (1) ke efek (2) membawa kalor ke
dalam efek ke dua dan ini dipergunakan untuk evaporasi demikian
pula sama untuk efek ke tiga .
Air yang diuapkan di dalam setiap efek sebanding dengan Q selama
kalor laten mendekati konstan.
Jadi kapasitas totalnya,
Q= Q1 = Q2 = Q3
= U 1 A 1 D T1 = U 2 A2 D T2 = U 3 A3 D T3
Jika dipergunakan nilai rata-rata koefisien Uav maka
Q = Uav (D T1 + D T2 + D T3) A
dengan asumsi luas setiap efek sama .
29
3.1.3
Contoh
3.1.3.1
Suhu di dalam efek-efek evaporator efek banyak
Sebuah evaporator tiga efek mengentalkan suatu cairan dengan tanpa kenaikan titik
didih . Jika suhu steam pada efek ke satu sebesar 395 K dan vakum diberlakukan pada
efek ke tiga sehinga titik didihnya sebesar 325 K, berapakah titik-titik didih di dalam ke
tiga efek tersebut ? Diambil koefisien perpindahan kalor keseluruhan masing-masing 3.1,
2.3 dan 1.1 kW/ m2.K .
Solusi
Untuk beban thermal yang sama dalam tiap efek , yaitu Q1 = Q2 = Q3,
U1A1DT1 = U2A2DT2 = U3A3DT3
atau untuk area pertukaran kalor yang sama dalam setiap efek
U1 D T1 = U2 D T2 = U3 D T3
Dalam hal ini ,
3.1 D T1 = 2.3 D T2 = 1.1 D T3
D T1 = 0.742 D T2 dan D T3 = 1.091 D T2
30
Sekarang
Σ D T = D T1 + D T2 + D T3 = (395 - 325) = 70 K
0.742 D T2 + D T2 + 1.091 D T2 = 70
D T2 = 18.3 K
dan
D T1 = 13.5 K,
D T3 = 38.2 K
Suhu di dalam setiap efek karenanya adalah :
T1 = (395 - 13.5) = 381.5 K
T2 = (381.5 - 183) = 363.2 K
T3 = (363.2 - 38.2) = 325 K
31
3.1.2
Operasi Sistem Evaporator Efek Banyak
3.1.2.1
3.1.2.2
3.1.2.3
Forward Feeding
Backward feeding
Mixed feeding
3.2 Vapour Recompression
Tiga metoda untuk meningkatkan kinerja baik dengan
pengurangan langsung konsumsi steam atau dengan
meningkatkan efsiensi energi keseluruhan unit :
(a) Operasi efek banyak
(b) Rekompresi uap yang keluar dari evaporator .
(c) Evaporasi pada suhu rendah dengan menggunakan
siklus pompa panas.
32
ke kondensor
dan system
vakum
Efek
ke 1
Efek
ke 2
Efek
ke 3
Steam
Produk
Steam trap
Umpan
pengatus
Aliran skematik rangkaian evaporasi efek banyak tipe forward feed
33
ke kondensor
dan system
vakum
Efek
ke 1
Efek
ke 2
Efek
ke 3
Steam
Umpan
Produk
Aliran skematik rangkaian evaporasi efek banyak tipe
back feed
34
ke kondensor
dan system
vakum
Efek
ke 1
Efek
ke 2
Efek
ke 3
Steam
Umpan
Aliran skematik rangkaian evaporasi efek banyak tipe umpan
campur (mixed feed)
35
3.1.2
Operasi Sistem Evaporator Efek Banyak
3.1.2.1
3.1.2.2
3.1.2.3
Forward Feeding
Backward feeding
Mixed feeding
3.2 Vapour Recompression
Tiga metoda untuk meningkatkan kinerja baik dengan
pengurangan langsung konsumsi steam atau dengan
meningkatkan efsiensi energi keseluruhan unit :
(a) Operasi efek banyak
(b) Rekompresi uap yang keluar dari evaporator .
(c) Evaporasi pada suhu rendah dengan menggunakan
siklus pompa panas.
36
3.2.1
Rekompresi Uap Panas
Rekompresi panas mencakup penggunaan jet booster untuk
mengkompresi kembali uap yang keluar . Sistem ini dipakai pada
evaporator efek tunggal atau efek pertama dari evaporator efek
banyak dengan steam tekanan tinggi serta serta steam tekanan
rendah untuk proses evaporasi.
3.2.2
Mechanical Vapour Recompression
Rekompresi uap mekanis mencakup kompresi uap yang keluar dari
evaporator. Kompresi uap dicapai :
Kesulitan utama : volume uap yang sangat besar
Aplikasi sistem :
Uap yang keluar dari efek pertama sistem efek banyak
Larutan dengan kenaikan titik didih rendah
37
38