MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR EVAPORATOR EFEK TUNGGAL MEMERLUKAN SEKITAR 1 KG STEAM UNTUK MENGUAPKAN 1 KG AIR. KINERJA SISTIM EVAPORATOR INI DAPAT DITINGKATKAN DENGAN OPERASI EFEK GANDA SISTIM VAPOR RECOMPRESSION SIKLUS HEAT PUMP SISTIM EFEK GANDA DIPERKENALKAN PERTAMA KALI OLEH RILLIEUX PADA TH. 1830. PADA SISTIM INI, UAP AIR DARI EFEK PERTAMA DIMANFAATKAN SEBAGAI PEMANAS PADA EVAPORATOR EFEK KEDUA DENGAN TITIK DIDIH YANG LEBIH RENDAH. HAL INI DIMUNGKINKAN DENGAN MENGOPERASIKAN EVAPORATOR EFEK KEDUA PADA TEKANAN YANG LEBIH RENDAH DARI PADA EFEK PERTAMA, DEMIKIAN SETERUSNYA. PADA SISTIM EFEK GANDA INI, EFEK TERAKHIR DIOPERASIKAN PADA TEKANAN VAKUM. DENGAN SISTIM EVAPORATOR EFEK GANDA KEBUTUHAN STEAM DIPERKECIL. SISTIM EVAPORATOR N EFEK KIRA-KIRA MEMERLUKAN 1/N KG STEAM UNTUK MENGUAPKAN 1 KG AIR, ATAU STEAM ECONOMY NYA, YAITU KG AIR YANG DIUAPKAN PER KG STEAM YANG DIGUNAKAN, ADALAH SEKITAR N

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR ADA BEBERAPA SISTIM EVAPORATOR EFEK GANDA YAITU: FEED FORWARD DAN FEED BACKWARD FEED BACKWARD FEED FORWARD Feed Forward digunakan bila larutan pekat sangat peka terhadap panas Feed Backward digunakan bila larutan pekat sangat viskus

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR LANGKAH-LANGKAH PERHITUNGAN Tentukan titik didih larutan pada efek terakhir, T3, dari konsentrasi larutan produk dan tekanan pada efek terakhir, T3=T30+BPR3 dimana T30=TSAT(P3). Tentukan beda suhu total: ∑T=TS-T30. Tentukan jumlah total uap dari neraca bahan overall. Buat trial awal untuk jumlah uap tiap efek dengan menganggap jumlah uap tiap efek sama. Buat neraca bahan tiap efek untuk mendapatkan L1, L2, dan L3..Kemidian hitung konsentrasi solid dalam tiap efek dengan solid balance, Hitung ∑Teff dimana ∑Teff=∑T-∑BPR Hitung T1, T2, T3: Kemudian hitung titik didih tiap-tiap efek: T1=TS-T1, dan T10=T1-BPR1, P1=P1SAT(T10), T2=T10-T2, T20=T2-BPR2, P2=P2SAT(T20), T3=T30+ BPR3 Dari neraca bahan dan neraca energy tiap efek hitung kembali jumlah uap dan liquid keluar tiap efek. Bandingkan dengan yang diasumsi pada langkah 2. Bila mendekati, lanjut ke step 5, bila berbeda jauh, ulangi step 2 Dari Capacity equation tiap efek hitung luas perpindahan panas tiap efek. Bila tidak sama, maka adakan koreksi terhadap beda suhu tiap efek. Ulangi perhitungan dari step 3

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR S F,XF L1, X1 L2, X2 L3, X3 V1 V2 V3 MATERIAL BALANCE: SISTIM TOTAL: F = L3 + (V1+V2+V3) F XF = L3 X3 EFEK 1: F = L1+V1 (OVERALL) ; F XF = L1 X1 (SOLID) EFEK 2: L1 = L2 + V2 (OVERALL); L1 X1 = L2 X2 (SOLID) EFEK 3: L2 = L3 + V3 (OVERALL); L2 X2 = L3 X3 (SOLID)

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR ENERGY BALANCE: SUHU REFERENCE O0C EFFECT 1: F Cp (TF-0) + S S1 = L1 Cp (T1 – 0) + V1 HV1 EFFECT 2: L1 Cp (T1 – 0) + V1 S2 = L2 Cp (T2 – 0) + V2 HV2 EFFECT 3: L2 Cp (T2 – 0) + V2 S3 = L3 Cp (T3 – 0) + V3 HV3 BILA KENAIKAN TITIK DIDIH DIABAIKAN EFEK 1: F Cp (TF-T1) + S λS1 = V1λS2 (SUHU REFERENCE=T1) EFEK 2: L1 Cp (T1-T2) + V1λS2 = V2 λS3 (SUHU REFERENCE=T2) EFEK 3: L2Cp(T2 – T3 )+ V2λS3= V3 λS4 (SUHU REFERENCE=T3)

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR CONTOH SOAL-1 Suatu evaporator tiga efek digunakan untuk menguapkan larutan gula yang mengandung 10% berat solid ke konsentrasi 50% berat solid. Kenaikan titik didih bisa diestimasi dari persamaan BPR0C=1.78 X + 6.22 X2dimana x adalkah fraksi berat gula dalam larutan.Digunakan steam jenuh pada tekanan 205.5 kPa (121.10C).Tekanan pada efek ketiga adalah 13.4 kPa. Laju alir umpan adalah 22680 kg/jam pada suhu 26.70C. Kapasitas panas larutan dinyatakan dengan Cp=4.19-2.35 x kJ/kg K. Panas pelarutan diabaikan. Koefisien perpindahan panas overall tiap efek sudah diestimasi yaitu: U1=3123, U2 =1987, U3 =1136 W/M2k. Bila tiap efek mempunyai luas perpindahan panas yang sama, maka hitung luas perpindahan panas, jumlah steam yang dibutuhkan dan steam economy.

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR PENYELESAIAN Step 1: Pada P3=13.4 kPa, suhu jenuh air adalah 51.670C dari steam table. Untuk x3=0.5, didapat BPR3=2.450C, T3=T30+BPR3= 51.67+2.45=54.120C. Step 2: Hitung L3: Solid balance FxF = L3x3 + 0→ 22680(0.1)=L3(0.5) → L3=4536 kg/jam Hitung Total penguapan: F = L3 + (V1+V2+V3) → V1+V2+V3=F-L3=22680-4536=18144 Asumsi V1=V2=V3=18144/3=6048 kg/jam Neraca bahan efek 1: F=V1+L1→22680=6048+L1→ L1=16632 kg/j Neraca bahan efek 2: L1=V2+L2→ 16632=6048+L2→ L2=10584 kg/j Neraca bahan efek 3: L2=V3 + L3 → 10584=6048+L3 → L3=4536 kg/j Solid balance efek 1: FxF = L1x1 → 22680(0.1)=16632 x1 → x1 = 0.136 Solid balance efek 2: L1x1 = L2 x2 → 16632(0.136)=10584 x2 → x2 = 0.214 Solid balance efek 3: L2x2 = L3 x3 → 10584(0.214)=4536 x3 → x3 =0.5

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR STEP 3: Hitung BPR: BPR1=1.78 x1+6.22 x12=1.78(0.136)+6.22(0.136)2=0.360C BPR2 =1.78 x2 +6.22 x22 =1.78(0.214)+6.22(0.214)2 =0.65C BPR3 =1.78 x3 +6.22 x32 =1.78(0.5)+6.22(0.5)2 =2.450 C Hitung ∑Tavailable: ∑Tavailable=∑T-∑BPR=TS1-T30-(BPR1+BPR2+BPR3) = 121.1-51.67-(0.36+0.65+2.45)=65.90C Hitung Ti: T1=∑T (1/U1)/(1/U1+1/U2+1/U3)= = 65.97(1/3123)/(1/3123+1/1987+1/1136)=12.40C Dengan cara sama didapat T2=19.50C, T3=34.070C Hitung suhu masing-masing efek: T1=TS1-T1=121.1-15.56=105.540C TS2=T1-BPR1=105.54-0.36=105.180C, T2=TS2-T2=105.18-19.5=86.840C

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR STEP 4 Kapasitas panas liquid: F : Cp=4.19-2.35 (0.1) =3.955 kJ/kg.K L1: Cp=4.19-2.35 (0.136)=3.869 L2: Cp=4.19-2.35 (0.214)=3.684 L3: Cp=4.19-2.35 (0.5) =3.015 Enthalpy uap dan panas laten pengembunan: Efek 1: HV1=HS2+Cpv( BPR1)= 2684+ 1.884 (0.36) =2685 kJ/kg λS1 = HS1-hS1 = 2708-508= 2200 kJ/kg Efek 2: HV2 = HS3 + Cpv (BPR2) = 2654 + 1.884 (0.65) = 2655 kJ/kg λS2 = HV1-hS2 = 2685 – 441 = 2244 kJ/kg Efek 3: HV3 = HS4 + Cpv (BPR3)=2595 + 1.884 (2.45)= 2600 kJ/kg λS3 = HV2 – hS3 = 2655 – 361 = 2294 kJ/kg

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR NERACA BAHAN DAN ENERGY EFEK 1: F=V1 + L1 → V1 = 22680 – L1 F Cp (TF – 0) + S λS1 = L1Cp (T1 – 0) + V1HV1 22680(3.955)(26.7)+S(2200)=L1(3.869)(105.54)+(22680-L1)(2685) EFEK 2: L1= V2 + L2 → V2 = L1 – L2 L1Cp (T1-0)+V1λS2=L2Cp(T2-0)+V2HV2 L1(3.869)(105.54)+(22680-L1)(2244)=L2(3.684)(86.84)+(L1-L2)(2655) EFEK 3: L2 = V3 + L3 → V3 = L2 – L3 L2Cp(T2-0)+V2λS3=L3Cp(T3-0)+V3HV3 L2(3.684)(86.84)+(L1-L2)(2294)=4536(3.015)(54.12)+(L2-4536)(2600) DIDAPAT: L1=17078, L2 = 11068, L3=4536 kg/j S=8936, V1=5602, V2 = 6010, V3 = 6532 kg/j HARGA V1 , V2 , V3 YANG DIHITUNG INI CUKUP DEKAT DENGAN HARGA YANG DIASUMSI

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR STEP 5 HITUNG LUAS PERPINDAHAN PANAS MASING-MASING EFEK Q1=SλS1=U1A1T1→ (89360/3600)(2200 x 1000)=(3123)A1(15.56)→A1=112.4 m2 Q2=V1λS2=U2A2T2 →(5602/3600)(2244x1000)=(1987)A2(18.34)→A2=95.8 m2 Q3=V2λS3=U3A3∆T3 →(6010/3600)(2294x1000)=(1136)A3(32.07)→A3=105.1 m2 LUAS RATA-RATA, Am=104.4 m2. PERBEDAAN LUAS MASING-MASING EFEK DENGAN HARGA RATA-RATA KURANG DARI 10%. SEBENARNYA TAK DIPERLUKAN TRIAL KEDUA. TAPI UNTUK MENJELASKAN METODA PERHITUNGAN NYA, DISINI DILAKUKAN TRIAL KEDUA DENGAN MENGULANG MULAI STEP KEDUA MENGGUNAKAN HARGA L1 DAN L2 YANG BARU YANG DIHITUNG PADA STEP 4. STEP 2 ULANGAN 22680 (0.1)= 17078 x1 → x1 = 0.133 17078 (0.133)=11068 x2 → x2 = 0.205 11068 (0.205)= 4536 x3 → x3 = 0.5

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR STEP 3 ULANGAN BPR1 =1.78 x1 + 6.22 x12 = 1.78 (0.133) + 6.22 (0.133)2 = 0.35 BPR2 =1.78 x2 + 6.22 x22 = 1.78 (0.205) + 6.22 (0.205)2 = 0.63 BPR3 =1.78 x3 + 6.22 x32 = 1.78 (0.5) + 6.22 (0.5)2 = 2.45 ∑∆Tavailable=121.1-51.67 –(0.35+0.63+2.45)=660C HARGA BARU BEDA SUHU: ∆T1’ =A1 ∆T1/Am=15.56 (112.4)/104.4 = 16.77 ∆T2’ =A2 ∆T2/Am = 18.34 (95.8)/104.4 = 16.87 ∆T3’=A3 ∆T3/Am = 32.07 (105.1)/104.4 = 32.36 SUHU MASING-MASING EFEK: T1=TS1- ∆T1’= 121.1 – 16.77 = 104.330C, TS1 = 121.10C TS2=T1-BPR1=104.33–0.35=103.98, T2=TS2-∆T2’=103.98-16.87=87.110C TS3=T2-BPR2=87.11-0.63=86.480C, T3=TS3-∆T3’=86.48-32.36=54.120C

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR STEP 4 ULANGAN KAPASITAS PANAS LIQUID: Cp=4.19-2.35 x ALIRAN F L1 L2 L3 x 0.1 0.133 0.205 0.5 Cp, kJ/kg K 3.955 3.877 3.708 3.015 HARGA ENTHALPY DAN PANAS LATEN PENGEMBUNAN HV1=HS2 + 1.884 BPR1= 2682+1.884(0.35)=2683 kJ/kg λS1=HS1-hs1= 2708 – 508 = 2200 kJ/kg HV2 =HS3 + 1.884 BPR2 = 2654+1.884(0.63)=2655 kJ/kg λS2 =HV1 –hS2 = 2683 – 440 = 2243 kJ/kg HV3 =HS4 + 1.884 BPR3 = 2595+1.884(2.45)=2600 kJ/kg λS3=HV2 –hS3 = 2655 – 362 = 2293 kJ/kg

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR STEP 4 ULANGAN ENERGY BALANCE: 22680(3.955)(26.7-0)+S(2200)=L1(3.877)(104.33-0)+(22680-L1)(2683) L1(3.877)(104.33-0)+(22680-L1)(2243)=L2(3.708)(87.11-0)+(L1-L2)(2655) L2(3.708)(87.11-0)+(L1-L2)(2293)=4536(3.015)(54.12-0)+(L2-4536)(2600) DIDAPAT: L1=17005, L2=10952, L3=4536, S=8960 kg/j V1=5675, V2=053, V3=6416 kg/j STEP 5 ULANGAN: CAPACITY EQUATION: Q1=SλS1=U1A1∆T1’→(8960/3600)(2200x1000)=3123 A1(16.77)→A1=104.6 m2 Q2=V1λS2=U2A2∆T2’→(5675/3600)(2243x1000)=1987 A2(16.87)→A2=105.6 m2 Q3=V2λS3=U3A3∆T3’→(6053/3600)(2293x1000)=1136 A3(32.36)→A3=104.9 m2 LUAS RATA-RATA, Am=105 m2. STEAM ECONOMY = (5675+6053+6416)/8960 = 2.025

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR CONTOH SOAL-2 4 kg/s suatu cairan yang mengandung 10% solid dialirkan pada 294 K ke efek pertama dari unit evaporator tiga efek. Cairan dengan kandungan 50% solid akan dikeluarkan dari efek ketiga yang beroperasi pada tekanan 13 kN/m2 (0.13 bar). Cairan mmpunyai panas jenis 4.18 kJ/kg K dan kenaikan titik didih diabaikan. Steam jenuh kering pada 205 kN/m2 dialirkan ke ruang pemanas efek pertama, dan kondensat dikeluarkan pada suhu steam didalam masing-masing efek. Ketiga efek mempunyai luas perpindahan panas yang sama. Harga koefisien perpindahan panas pada efek pertama, kedua, dan ketiga berturut-turut adalah 3.1, 2.0, dan 1.1 kW/m2. Tentukan luas perpindahan panas dan laju steam yang dibutuhkan. Seperti A) tapi sistim evaporator yang digunakan adalah feed backward ( feed masuk pada efek ketiga dan produk cairan pekat dikeluarkan pada efek pertama). Pda sistim harga koefisien perpindahan panas untuk efek pertama, kedua dan ketiga beturut-turut adalah 2.5, 2.0, dan 1.6 kW/m2K

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR PEYELESAIAN Sistim Feed Forward: Step 1: Suhu steam jenuh kering pada 205 kN/m2 adalah 394 K, dan pada tekanan 13 kN/m2 suhu didih air adalah 325 K. Sehingga beda suhu total ∑∆T=394-325=69 K. Step 2: Neraca bahan solid keseluruhan efek: F xF = L3x3 → 4(0.1)=L3 (0.5)→ L3=0.8 kg/s Neraca bahan total kesluruhan efek: F = L3 + (V1+V2+V3)→ 4 = 0.8 + (V1+ V2 +V3) V1+ V2 + V3 = 4 - 0.8 = 3.2 kg/s Neraca bahan total efek 1: F = V1+L1 → L1=4 – V1 Neraca bahan total efek 2: L1 = V2 + L2 → L2 = L1 – V2 Karena tak ada kenaikan titik didih maka tak perlu trial V1, V2 dan V3 dalam rangka menentukan konsentrasi solid didalam tiap efek.

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR Step 3: Trial beda suhu tiap efek: ∆T1= ∑∆T (1/U1)/(1/U1 + 1/U2 + 1/U3)=69 (1/3.1)/(1/3.1 + 1/2.0 + 1/1.1)=13 K ∆T2 = ∑∆T (1/U2)/(1/U1 + 1/U2 + 1/U3)=69 (1/2.)/(1/3.1 + 1/2.0 + 1/1.1)= 20 K ∆T3 = ∑∆T (1/U3)/(1/U1 + 1/U2 + 1/U3)=69 (1/1.1)/(1/3.1 + 1/2.0 + 1/1.1)= 36 K Karena suhu umpan dingin maka ∆T1 ditrial lebih besar sedikit dari yang dihitung diatas. Maka dipilih harga berikut: ∆T1=18 K, ∆T2 = 17 K, ∆T3 = 34 K. Suhu tiap efek: ∆T1=TS1 – T1→ 18 = 394 – T1 → T1 = 376 K, TS2 = T1 = 376 K ∆T2 = TS2 – T2 → 17 = 376 – T2 → T2 = 359 K, TS3 = T2 = 359 K ∆T3 = TS3 – T3 → 34 = 359 – T3 → T3 = 325 K, TS4 = T3 = 325 K Step 4: Panas Laten pengembunan uap air: TS1 = 394 K → λS1= 2200 kJ/kg TS2 = 376 K → λS2 =2249 kJ/kg TS3= 359 K → λS3 = 2293 kJ/kg TS4= 325 K → Λs4= 2377 kJ/kg

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR Neraca panas tiap efek: Efek 1: S λS1 = FCp(T1- TF)+V1 λS2 →2200 S = 4 (4.18)(376-294)+2249 V1 (1) Efek 2: V1λS2+(F-V1)Cp(T1-T2)=V2λS3 →2249 V1+(4-V1)4.18(376-359)=2293 V2 (2) Efek 3: V2λS3+(F-V1-V2)Cp(T2-T3)=V3λS4→ 2293 V2+(4-V1-V2)4.18(359-325)=2377 V3 (3) Sedangkan total penguapan V1+ V2 + V3 = 3.2 (4) Dari ke empat persamaan ini diperoleh: V1=0.991, V2=1.065, V3=1.144, dan S=1.635 kg/s Neraca bahan efek 1: Total: L1=4-V1=4-0.991=3.009 Solid: FxF=L1x1 → x1 = 4(0.1)/(3.009)=0.133 Neraca bahan efek 2: Total: L2 =L1 – V2 = 3.099 – 1.065 = 2.034 kg/s Solid: L1x1 = L2 x2 → x2 = 3.009(0.133)/2.034=0.205

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR Step 5: Perhitungan luas perpindahan panas dari capacity equation 64.5 m2 65.6 m2 65.3 m2 Ketiga luas perpindahan panas ini hampir sama, sehingga beda suhu untuk masing-masing efek yang diasumsi semula sudah benar. Luas perpindahan panas rata-rata: Am=(64.5+65.6+65.3)/3=65.13 m2 Kebutuhan steam= 1.635 kg/s Steam economy= 3.2/1.635 = 2.0

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR PENYELESAIAN Sistim Feed Backward: Step 1: Suhu steam jenuh kering pada 205 kN/m2 adalah 394 K, dan pada tekanan 13 kN/m2 suhu didih air adalah 325 K. Sehingga beda suhu total ∑∆T=394-325=69 K. Step 2: Neraca bahan solid keseluruhan efek: F xF = L1x1 → 4(0.1)=L1 (0.5)→ L1 =0.8 kg/s Neraca bahan total kesluruhan efek: F = L1 + (V1+V2+V3)→ 4 = 0.8 + (V1+ V2 +V3) V1+ V2 + V3 = 4 - 0.8 = 3.2 kg/s Neraca bahan total efek 3: F = V3 +L3 → L3 =4 – V3 Neraca bahan total efek 2: L3 = V2 + L2 → L2 = L3 – V2=4 – V3 – V2 Karena tak ada kenaikan titik didih maka tak perlu trial V1, V2 dan V3 dalam rangka menentukan konsentrasi solid didalam tiap efek.

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR Step 3: Trial beda suhu tiap efek: ∆T1= ∑∆T (1/U1)/(1/U1 + 1/U2 + 1/U3)=69 (1/2.5)/(1/2.5 + 1/2.0 + 1/1.6)=18 K ∆T2 = ∑∆T (1/U2)/(1/U1 + 1/U2 + 1/U3)=69 (1/2.)/(1/2.5 + 1/2.0 + 1/1.6)= 23 K ∆T3 = ∑∆T (1/U3)/(1/U1 + 1/U2 + 1/U3)=69 (1/1.6)/(1/2.5 + 1/2.0 + 1/1.6)= 28 K Dipilih harga berikut: ∆T1=20 K, ∆T2 = 24 K, ∆T3 = 25 K. Suhu tiap efek: ∆T1=TS1 – T1→ 20 = 394 – T1 → T1 = 374 K, TS2 = T1 = 374 K ∆T2 = TS2 – T2 → 24 = 374 – T2 → T2 = 350 K, TS3 = T2 = 350 K ∆T3 = TS3 – T3 → 25 = 350 – T3 → T3 = 325 K, TS4 = T3 = 325 K Step 4: Panas Laten pengembunan uap air: TS1 = 394 K → λS1= 2200 kJ/kg TS2 = 374 K → λS2 =2254 kJ/kg TS3= 350 K → λS3 = 2314 kJ/kg TS4= 325 K → λS4 = 2377 kJ/kg

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR Neraca panas tiap efek: Efek 3: V2 λS3 = FCp(T3 - TF)+V3 λS4 →2314 V2 = 4 (4.18)(325-294)+2377 V3 (1) Efek 2: V1λS2=(F-V3)Cp(T2 –T3 )+V2λS3 →2254 V1= (4-V3)4.18(350-325)+2314 V2 (2) Efek 1: S λS1 = (F-V2 –V3 )Cp(T1 –T2 ) + V1 λS2→ 2200 S= (4-V2 –V3 )4.18(374-350) + 2254 V1 (3) Sedangkan total penguapan V1+ V2 + V3 = 3.2 (4) Dari ke empat persamaan ini diperoleh: V1=1.261, V2=1.086, V3=0.853, dan S=1.387 kg/s Neraca bahan efek 3: Total: L3 =4-V3 =4-0.853=3.147 Solid: FxF=L3 x3 → x3 = 4(0.1)/(3.147)=0.127 Neraca bahan efek 2: Total: L2 =L3 – V2 = 3.147 – 1.086 = 2.061 kg/s Solid: L2 x2 = L3 x3 → x2 = 3.147(0.127)/2.061=0.194

MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR Step 5: Perhitungan luas perpindahan panas dari capacity equation 61.0 m2 59.2 m2 62.8 m2 Ketiga luas perpindahan panas ini hampir sama, sehingga beda suhu untuk masing-masing efek yang diasumsi semula sudah benar. Luas perpindahan panas rata-rata: Am=(61.0+59.2+62.8)/3=61 m2 Kebutuhan steam= 1.387 kg/s Steam economy= 3.2/1.387 = 2.3