Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

1 EVAPORASI Yusron Sugiarto, STP, MP, MSc. 2  EVAPORASI  ISI BAHASAN  I. PENDAHULUAN  1.1.Konstruksi Dasar Evaporator  1.2.Pepindahan Kalor di dalam.

Presentasi serupa


Presentasi berjudul: "1 EVAPORASI Yusron Sugiarto, STP, MP, MSc. 2  EVAPORASI  ISI BAHASAN  I. PENDAHULUAN  1.1.Konstruksi Dasar Evaporator  1.2.Pepindahan Kalor di dalam."— Transcript presentasi:

1 1 EVAPORASI Yusron Sugiarto, STP, MP, MSc

2 2  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  2.1Evaporator Sirkulasi Natural  2.2Evaporator Sirkulasi Paksa  2.3Evaporator Tabung Panjang   III.HEAT CONSERVATION  3.1Multiple Effect Evaporators  3.2Vapour Recompression

3 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 cUntuk 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

4 4 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 1 o F untuk tiap 1 lb air diperlukan panas 1 BTU. Panas jenis suatu benda artinya jumlah panas yang diperlukan benda itu agar temperaturnya naik 1 o 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.

5 5 besar panas laten dan perubahan suhu fase dari beberapa cairan umum dan gas

6 1.1Konstruksi 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 7

8 8 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.

9 9 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, h g is the enthalpy of the vapor in the vapor chamber of the evaporator, and h fc 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 h fw is enthalpy of cooling water entering the condenser.

10 CONDENSER 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. Example Home work

11 1.2Perpindahan Kalor di dalam Evaporator 1.2.1Koefisien 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. 11 Contoh: Udara pada suhu 20 0 C bertiup diatas plat panas 50 x 75 cm. Suhu plat dijaga tetap C. Koefisien perpindahan kalor konveksi adalah 25 W/m 2 0 C. Hitunglah perpindahan kalor.

12 1.2.2Tahanan 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 Penyelesaian Dari persamaan : q = U A (Tw - T∞) = (25)(0,50)(0,75)(250 – 20) = (25)(0,50)(0,75)(250 – 20) = 2,156 kW = 2,156 kW

13 13 Soal 1 : Desain ini menjaga suhu plat pada C. Koefisien perpindahan kalor konveksi adalah 15 W/m 2 0 C. bertiup diatas plat panas 150 x 115 cm? Apabila kalor pada evaporator sebesar 3 KW. Desain ini menjaga suhu plat pada C. Koefisien perpindahan kalor konveksi adalah 15 W/m 2 0 C. Berapakah suhu udara yang bertiup diatas plat panas 150 x 115 cm?

14 14 Soal 2: Desain ini menjaga suhu plat pada C. Koefisien perpindahan kalor konveksi adalah 25 W/m 2 0 C dengan suhu udara yang melewati plat sebesar 30 0 C 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 C. Koefisien perpindahan kalor konveksi adalah 25 W/m 2 0 C dengan suhu udara yang melewati plat sebesar 30 0 C

15 1.2.3Kenaikan 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

16 1.3Pengaruh sifat-sifat larutan umpan terhadap evaporasi Dasar pemilihan tipe evaporator : Kekentalan 1.3.2Fouling 1.3.3Entrainment dan Foaming 1.3.4Kepekaan suhu 1.3.5Kehilangan Aroma 1.4Neraca Masssa Neraca massa menyatakan bahwa : input = output 16

17 II.Peralatan Yang Digunakan Untuk Evaporasi Tipe-tipe evaporator tersedia sebagai berikut : 2.1Evaporator Sirkulasi Natural 2.1.1Evaporator pan terbuka 2.1.2Tabung horizontal pendek 2.1.3Tabung vertical pendek 2.1.4Evaporator sirkulasi natural dengan kalandria luar 2.2Forced Circulation Evaporators 2.3Long Tube Evaporators 17

18 18 Skema evaporator : dimana : m : massa (kg) T : suhu ( 0 C) 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

19 19 Umpan drips Cairan kental Steam mengembun di luar tabung Aliran sirkulasi cairan Diagram penampang melintang evaporator standar tabung vertikal dengan sirkulasi natural Pendidihan di dalam tabung Uap Steam

20 20 Umpan Uap Steam Cairan kental Kondensat Berkas tabung Diagram penampang melintang evaporator tabung horizontal

21 21

22 2.3.4 Contoh Evaporator Efek Tunggal Sebuah evaporator efek tunggal digunakan untuk mengentalkan 7 kg/s larutan dari 10 menjadi 50% padatan. Steam tersedia pada 205 kN/m 2 dan evaporasi berlangsung pada 13.5 kN/m 2. Jika koefisien perpindahan kalor keseluruhan 3 kW/m 2.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 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/m 2, suhu steam = 394 K dan enthalpi total= 2530 kJ.kg-1. Pada 13.5 kN/m 2 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

23 Neraca massa Padatan Air Total kg/skg/skg/s Umpan10% Produk50% Evaporasi Dengan menggunakan suhu acuan 273 K: Kalor masuk bersama umpan= (7.0 ´ 3.76) ( ) = kW Kalor keluar bersama produk = (1.4 ´ 3.14) ( ) = kW Kalor keluar bersama air teruapkan = (5.6 ´ 2594) = kW  kalor terpindah dari steam = ( ) = kW Steam mengembun keluar pada K, dengan enthalp = 4.18 ( ) = kJ/kg  kalor terpindah dari 1 kg steam = ( ) = kJ/kg maka steam yang dibutuhkan = kW/ ( kJ /kg)= 6.47 kg/s 23

24 Beda antara suhu steam yang mengembun dan suhu air yang menguap sebagai pemanasan pendahuluan larutan yaitu DT = ( ) = 69 K Jadi A, luas permukaan pemanasan ruang evaporator = 68.6 m2 24

25 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 kPa. Suhu masuk umpan 43.3 °C. Produk di dalam evaporator mendidih pada 62.2 °C. Koefisien perpindahan kalor keseluruhan 943 W/m 2.°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, m f = 0.67 kg/s Konsentrasi umpan x f = 0.11 Konsentrasi produk x p = 0.75 Tekanan Steam = kPa Suu umpan T f = 43.3 °C Suhu pendidihan dalam evaporator, T 1 = 62.2 °C Koefisien perpindahan kalor keseluruhan = 943 W.m-2.K-1 Kalor spesifik larutan umpan cp f = 3.9 kJ/kg.°C Kalor spesifik produk konsentrat cp p = 2.3 kJ/ kg.°C 25

26 Pendekatan Akan digunakan neraca massa dan kalor untuk menentukan yang belum diketahui. Nilai enthalpi untuk steam dan uap diperoleh dari tabel uap. Neraca massa : 0.11 ´ 0.67 kg.s-1 = 0.75 m p m p = kg/s Jadi laju alir massa produk konsentrat adalah kg/s dan laju alir massa uap sebesar 0, 57 kg/s. Neraca kalor : Memerlukan penyelesaian neraca enthalpi berikut m f H f + m s H v = m v H v + m p H p + m s H c umpan + steam = uap + produk + kondensat Tentukan H f dan H p seperti berikut : H f = 3.9 ´ ( ) = kJ/kg H p = 2.3 ´ ( ) = kJ/kg Dari tabel uap : Suhu steam pada kPa = 134 °C Enthalpi uap jenuh H v (T s = 134 °C) = kJ/kg 26 Solution

27 Enthalpi untuk konsentrat jenuh H c (T s = 134 °C) = kJ/kg Enthalpi untuk uap jenuh H v (T s = 134 °C) = kJ/kg (0.67 x 168.9) + (ms x2725.9) = (0.57 x2613.4) + (0.098 x 143.1) + (m s x ) m s = m s = 0.64 kg/s Ekonomi Steam : Gunakan m v / m s = 0.57 / 0.64 = 0.89 kg air diuapkan / kg steam Luas permukaan penukar kalor : Gunakan rumus q = UA (T s - T 1 ) = m s.H v - m s.H c A x 943 x ( ) = 0.64 x 1000 ( ) A = luas permukaan pertkaran kalor yang diperlukan seluas 20.4 m 2 27

28 III. KONSERVASI KALOR 3.1. Evaporator Efek Banyak (Multiple Effect Evaporators) Pronsip Umum Ditinjau dirangkai tiga buah evaporator,masing-masing unit memiliki suhu dan tekanan T 1, T 2, T 3, dan P 1, P 2, P 3, jika cairan tidak mempunyai kenaikan titik didih maka kalor terpindah per satu satuan waktu melintas setiap efek akan menjadi : Efef 1 Q 1 = U 1 A 1 D T 1, dimana D T 1 = (T o - T 1 ), Efek 2 Q 2 = U 2 A 2 D T 2, dimana D T 2 = (T l - T 2 ), Efek 3 Q 3 = U 3 A 3 D T 3,dimana D T 3 = (T 2 - T3) T o = suhu steam awal, T f = suhu umpan. Dengan mengabaikan kalor yang diperlukan untuk memanasi umpan dari T f to T 1, kalor Q 1 yang dipindah melintas A 1 muncul sebagai kalor laten di dalam uap D 1 dan digunakan sebagai steam dalam efek kedua, dan : Q 1 = Q 2 = Q 3 sedemikian hingga U 1 A 1 D T 1 = U 2 A 2 D T 2 = U 3 A 3 D T 3 28

29 Jika, seperti dalam banyak kasus. Masing-masing efek sama,A 1 = A 2 = A 3, sehingga : U 1 D T 1 = U 2 D T 2 = U 3 D T 3 Simplifikasi ditunjukkan dengan : (a) kalor yang dibutuhkan untuk memanasi umpan dari T o ke T 1 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= Q 1 = Q 2 = Q 3 = U 1 A 1 D T 1 = U 2 A 2 D T 2 = U 3 A 3 D T 3 Jika dipergunakan nilai rata-rata koefisien Uav maka Q = Uav (D T 1 + D T 2 + D T 3 ) A dengan asumsi luas setiap efek sama. 29

30 3.1.3Contoh 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/ m 2.K. Solusi Untuk beban thermal yang sama dalam tiap efek, yaitu Q 1 = Q 2 = Q 3, U 1 A 1 DT 1 = U 2 A 2 DT 2 = U 3 A 3 DT 3 atau untuk area pertukaran kalor yang sama dalam setiap efek U 1 D T 1 = U 2 D T 2 = U 3 D T 3 Dalam hal ini, 3.1 D T 1 = 2.3 D T 2 = 1.1 D T 3 D T 1 = D T 2 dan D T 3 = D T 2 30

31 Sekarang Σ D T = D T 1 + D T 2 + D T3 = ( ) = 70 K D T 2 + D T D T 2 = 70 D T 2 = 18.3 K dan D T 1 = 13.5 K, D T 3 = 38.2 K Suhu di dalam setiap efek karenanya adalah : T 1 = ( ) = K T 2 = ( ) = K T 3 = ( ) = 325 K 31

32 3.1.2Operasi Sistem Evaporator Efek Banyak Forward Feeding Backward feeding Mixed feeding 3.2Vapour 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

33 33 Steam Umpan Efek ke 1 Efek ke 2 Efek ke 3 Steam trap Produk ke kondensor dan system vakum pengatus Aliran skematik rangkaian evaporasi efek banyak tipe forward feed

34 34 Steam Umpan Efek ke 1 Efek ke 2 Efek ke 3 Produk ke kondensor dan system vakum Aliran skematik rangkaian evaporasi efek banyak tipe back feed

35 35 Steam Umpan Efek ke 1 Efek ke 2 Efek ke 3 ke kondensor dan system vakum Aliran skematik rangkaian evaporasi efek banyak tipe umpan campur (mixed feed)

36 3.1.2Operasi Sistem Evaporator Efek Banyak Forward Feeding Backward feeding Mixed feeding 3.2Vapour 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

37 3.2.1Rekompresi 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 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 38


Download ppt "1 EVAPORASI Yusron Sugiarto, STP, MP, MSc. 2  EVAPORASI  ISI BAHASAN  I. PENDAHULUAN  1.1.Konstruksi Dasar Evaporator  1.2.Pepindahan Kalor di dalam."

Presentasi serupa


Iklan oleh Google