EVAPORASI Yusron Sugiarto, STP, MP, MSc

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. HEAT CONSERVATION 3.1 Multiple Effect Evaporators 3.2 Vapour Recompression

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

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.

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

Sistem evaporator industri pada umumnya terdiri atas : 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.

CONDENSER Two general types of condensers are used. 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. 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.

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.

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.

1.2.1 Koefisien Perpindahan Kalor 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.

1. 2. 2 Tahanan terhadap perpindahan kalor a 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) Penyelesaian Dari persamaan : q = U A (Tw - T∞) = (25)(0,50)(0,75)(250 – 20) = 2,156 kW

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?

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

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.

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

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

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

Uap Diagram penampang melintang evaporator standar tabung vertikal 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

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

Diagram penampang melintang evaporator tabung vertikal dengan sirkulasi paksa Uap drips Baffle untuk pemisah cairan dan uap Pendidihan di dalam tabung Resirkulasi Cairan kental keluar Steam ( mengembun di luar tabung) Ruang pemisah entrainment

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.

Neraca massa Padatan Air Total kg/s kg/s kg/s Umpan 10% 0. 7 6 Neraca massa Padatan Air Total kg/s kg/s kg/s Umpan 10% 0.7 6.3 7 Produk 50% 0.7 0.7 1.4 Evaporasi 5.6 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

Beda antara suhu steam yang mengembun dan suhu air yang menguap sebagai pemanasan pendahuluan larutan yaitu DT = (394 - 325) = 69 K Jadi A , luas permukaan pemanasan ruang evaporator = 68.6 m2

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

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 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 Solution

Enthalpi untuk konsentrat jenuh Hc (Ts = 134 °C) = 563 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

3.1. Evaporator Efek Banyak (Multiple Effect Evaporators) 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

Jika , seperti dalam banyak kasus 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 .

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

Sekarang Σ D T = D T1 + D T2 + D T3 = (395 - 325) = 70 K 0 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

(a) Operasi efek banyak 3.1.2 Operasi Sistem Evaporator Efek Banyak 3.1.2.1 Forward Feeding 3.1.2.2 Backward feeding 3.1.2.3 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.

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

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

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

(a) Operasi efek banyak 3.1.2 Operasi Sistem Evaporator Efek Banyak 3.1.2.1 Forward Feeding 3.1.2.2 Backward feeding 3.1.2.3 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.

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

TERIMA KASIH