evaporasi1

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
3.2
HEAT CONSERVATION
Multiple Effect Evaporators
Vapour Recompression
1
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 industri pangan :
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
2
1.1
Konstruksi Dasar Evaporator
Sistem evaporator industri pada umumnya terdiri atas :
Sebuah penukar kalor untuk memasok kalor sensibel dan kalor laten
penguapan pada umpan. Di dalam industri bahan pangan, uap ( steam )
jenuh dipergunakan sebagai medium pemanas.
Sebuah separator yang di dalamnya uap dipisahkan dari phasa cair
kentalnya.
Sebuah kondensor untuk penghasil kondensasi uap dan pembuangan
dari sistem . Ini dapat dihilangkan jika sistem bekerja pada kondisi
atmosphere.
Di dalam industi bahan pangan, 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.
4
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.
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.
5
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 pad
atekanan yang sama. Kaitan linier tersebut tidak berlaku pada jangkau
suhu yang lebar, hanya pada jangkau yang dapat diterima saja.
6
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
7
II .
Peralatan Yang Digunakan Untuk Evaporasi
Tipe-tipe evaporator tersedia sebagai berikut :
2.1 Evaporator Sirkulasi Natural
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4
Evaporator pan terbuka
Tabung horizontal pendek
Tabung vertical pendek
Evaporator sirkulasi natural dengan kalandria luar
2.2 Forced Circulation Evaporators
2.3 Long Tube Evaporators
8
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
9
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
10
Uap
Umpan
Steam
Berkas tabung
Kondensat
Cairan kental
Diagram penampang melintang evaporator tabung horizontal
11
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
12
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.
13
Neraca massa
Umpan 10%
Produk 50%
Evaporasi
Padatan
kg/s
0.7
0.7
Air
kg/s
6.3
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
14
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
15
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
16
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
17
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
18
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 :
Q1 = Q2 = Q3
sedemikian hingga
U1 A1 D T1 = U2 A2 D T2 = U3 A3 D T3
19
Jika , seperti dalam banyak kasus. Masing-masing efek sama ,A1 = A2 =
A3, sehingga :
U1 D T1 = U2 D T2 = U3 D T3
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
= U1 A1 D T1 = U2 A2 D T2 = U3 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 .
20
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
21
Sekarang
dan
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
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
22
3.1.2
3.1.2.1
3.1.2.2
3.1.2.3
Operasi Sistem Evaporator Efek Banyak
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.
23
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
24
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
25
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)
26
3.1.2
3.1.2.1
3.1.2.2
3.1.2.3
Operasi Sistem Evaporator Efek Banyak
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.
27
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
evaporator. Kompresi uap dicapai :
kompresi uap yang keluar dari
Kesulitan utama : volume uap yang sangat besar
Aplikasi sistem :
Uap yang keluar dari efek pertama sistem efek banyak
Larutan dengan kenaikan titik didih rendah
28
Latihan soal
1. Gambar dan susun neraca massa,
komponen dan energi dari suatu
rangkaian proses produk pangan.
30