1

EVAPORASIISI BAHASANI. PENDAHULUAN1.1.Konstruksi Dasar Evaporator1.2.Pepindahan Kalor di dalam Evaporators1.3.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

2

I. PENDAHULUANDefinisi: 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

3

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 Evaporator1.2.1 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 Evaporator pan terbuka

2.1.2 Tabung horizontal pendek

2.1.3 Tabung vertical pendek

2.1.4 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 : umpanu : uap airs : steamL : larutani : inleto : outlet

9

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

10

Umpan

Uap

Steam

Cairan kental

Kondensat

Berkas tabung

Diagram penampang melintang evaporator tabung horizontal

11

Diagram penampang melintang evaporator tabung vertikal dengan sirkulasi paksa

Uap

drips

Baffle untuk pemisah cairan dan uap

Pendidihan di dalam tabung

ResirkulasiCairan kental keluar

Steam ( mengembun di luar tabung)

Ruang pemisah entrainment

12

2.3.4 Contoh2.3.4.1. 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

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

14

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

TU

QA

693

14202

A

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 = 0.11Konsentrasi produk xp = 0.75Tekanan Steam = 304.42 kPaSuu umpan Tf = 43.3 °CSuhu pendidihan dalam evaporator, T1 = 62.2 °CKoefisien perpindahan kalor keseluruhan = 943 W.m-2.K-1Kalor spesifik larutan umpan cpf = 3.9 kJ/kg.°CKalor 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.

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

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/sEkonomi Steam :

Gunakan mv / ms = 0.57 / 0.64 = 0.89 kg air diuapkan / kg steamLuas 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 UmumDitinjau 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 Contoh3.1.3.1 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

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

22

3.1.2 Operasi Sistem Evaporator Efek Banyak 3.1.2.1 Forward Feeding3.1.2.2 Backward feeding3.1.2.3 Mixed feeding

3.2 Vapour RecompressionTiga 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

Steam

Umpan

Efek ke 1 Efek

ke 2Efek ke 3

Steam trapProduk

ke kondensordan system vakum

pengatus

Aliran skematik rangkaian evaporasi efek banyak tipe forward feed

24

Steam

Umpan

Efek ke 1 Efek

ke 2Efek ke 3

Produk

ke kondensordan system vakum

Aliran skematik rangkaian evaporasi efek banyak tipe back feed

25

Steam

Umpan

Efek ke 1 Efek

ke 2Efek ke 3

ke kondensordan system vakum

Aliran skematik rangkaian evaporasi efek banyak tipe umpan campur (mixed feed)

26

3.1.2 Operasi Sistem Evaporator Efek Banyak 3.1.2.1 Forward Feeding3.1.2.2 Backward feeding3.1.2.3 Mixed feeding

3.2 Vapour RecompressionTiga 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 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

28