PENGUAPAN LAPISAN TIPIS
Tujuan
Dasar Teori
Evaporator selanjutnya disebut penguap jenis lapis tipis tabung vertikal telah lama digunakan misal pada produksi pupuk organic, proses desalinasi, industri kertas, dan bubur kertas, industri bahan pangan dan bahan biologi dan lain-lain yang adalah untuk peningkatan konsentrasi dengan penguapan pelarutnya yang umumnya air. Proses ini ini sering digunakan untuk penguapan larutan kental, larutan sensitive akan panas, larutan yang mudah terdekomposisi, dan penguapan perbedaan temperatur rendah.
Penguapan yang terjadi akan berada di bawah titik didih air atau pelarut lain dalam kondisi curah. Penguapan akan memerlukan kalor yang lebih sedikit untuk umpan yang memang sedikit karena umpan mengalir dalam bentuk lpisan tipis (film).
Tujuan dari setiap proses evaporasi menikkan konsentrasi atau kadar kepekatan suatu larutan yang terdiri dari zat terlarut yang tidak mudah menguap dari zat pelarutnya yang relatif mudah menguap. Penguapan beberapa posisi pelarut tersebut akan memberikan produk berupa larutan pekat dan kental, sedangkan hasil kondensasi uap pelarutnya bias dibuang langsung sebagai limbah, yang seharusnya diberi perlakuan kimia jika pelarut tersebut berbahaya atau didaur ulang dan digunakan lagi sebagai pelarut. Hal-hal ini yang membedakan proses penguapan (evaporasi) dengan pengeringan (drying) atau penyulingan (destilasi) ataupun proses pemsahan (separasi) lainnya. Falling Film Evaporator (FFE) adalah salah satu jenis alat proses penguapan yang diklasifikasikan dalam kelas long tube vertical evaporator (LTpVE) bersama-sama dengan climbing film evaporator (CFE). Sedangkan berdasarkan tipe pemanasan dapat diklasifikasikan ke dalam system pemanasan dipisahkan oleh dinding pertukaran panas yaitu antara lain jenis kolom kalandria dan shell and tube, untuk FFE ada di laboratorium proyek percontohan Politeknik termasuk jenis yang kedua. Temperatur operasi yang rendah dalam hal ini catu kukus relatif lebih kecil.
Proses penguapan di dalam FFE
Umpan di masukkan melaui bagian atas kolom dan secara gravitasional. Jika vakum tidak dioperasikan turun dan membasahi dinding bagian dalam kolom dan dining-dinding bagian luar tabung-tabung penukar panas dan dalam kolom sebagian lapisan tipis (film).Maka panas yang diberikan oleh medium pemanas di dalam penukar panas akan dipakai untuk memanaskan larutan mencapai titik didihnya, penguapan pelarut dan membawa temperatur uap dari titik temperatur di atasnya. Sehinggga di dalam kolom evaporator akan terdapat campuran antara larutan pada temperatur penguapan pelarut atau sedikit lebih tinggi atau rendah dari uap pelarut. Karena temperatur pada tangki pemisah dan pendingin (kondensor) lebih rendah dari pada temperatur pada bagian bawah kolom maka sistem pada bagian kolom tersebut akan mengalami evakuasi yang dalam arti sebenarnya terjadi penurunan tekanan sehingga kondisi seperti vakum terjadi oleh karena campuran tersebut akan terhisap menuju tangki pemisah dimana bagian campuran yang berupa larutan produk yang lebih berat dan pekat turun menuju tangki pengumpul produk, sehingga uap pelarut menuju kondensor dikondensasikan dan turun menuju tangki destilat.
Pada sistem dimana kondisi vakum dioperasikan oleh pompa vakum proses akan berlangsung serupa, tetapi titik didih yang dicapai akan lebih rendah dari pada kondisi atmosferik. Selain itu kemungkinan aliran balik karena pembentukan uap pelarut dan tekanan parsial yang dikandungnya lebih kecil.
Perhitungan teoritikal FFE – sistem curah
Kinerja suatu evaporator ditentukan oleh beberapa faktor antara lain :
Untuk tujuan teknik dan karakteristik evaporator yang perlu diperhatikan yaitu :
Pada dasarnya evaporator adalah alat dimana pertukaran panas terjadi. Laju perpindahan panas dinyatakan dalam persamaan umum :
Q = U A dT
dengan U = koefisien keseluruhan perpindahan panas dalam sistem
Alat dan Bahan
Peralatan yang digunakan
Bahan yang dipakai
Cara Kerja
Pemanasan langsung oleh kukus arus searah
V2, V4, V5, V6, V7, dan V8
Katup utama, V3, V10, dan pembuangan di bawah steam trap 1
Data Percobaan
Laju alir umpan = 100 L/jam
Waktu |
TI-01 |
TI-04 |
TI-06 |
TI-07 |
TI-08 |
TI-10 |
TI-11 |
TI08 |
30 |
139 |
122.6 |
29.1 |
76.2 |
122.7 |
98 |
26.3 |
122.7 |
60 |
142 |
122.3 |
28.6 |
78.3 |
117.4 |
98.2 |
26.3 |
117.4 |
90 |
138.8 |
121.9 |
30.3 |
78.1 |
115.9 |
98.4 |
28.1 |
115.9 |
Percobaan |
Qp |
Qd |
Tp |
Tcond |
Tdist |
Qs |
1 |
21 |
1.87 |
100 |
72 |
32 |
0.36 |
2 |
21.17 |
1.9 |
99 |
70 |
32 |
0.42 |
3 |
21.17 |
1.9 |
99 |
65 |
32 |
0.50 |
Data-data yang diperlukan untuk perhitungan ( sumber Reklaitis "Introduction to Material and Energy balances")
T |
r |
hga |
hf |
hfg |
28 |
|
|
|
2435.4 |
30 |
2430.7 |
|||
32 |
995.026 |
2425.9 |
||
33 |
994.703 |
|
||
64 |
2348 |
|||
66 |
2343 |
|||
70 |
2333 |
|||
72 |
2329 |
|||
100 |
958.365 |
|||
120.2 |
2706.3 |
|||
123.3 |
2710.6 |
Hasil interpolasi data :
T |
hga |
hf |
hfg |
28.6 |
|
|
2434 |
29.2 |
2432.6 |
||
30.3 |
2430 |
||
65 |
2345.5 |
|
|
121.9 |
2709 |
||
122.3 |
2709 |
||
122.6 |
2710 |
Pengolahan Data
Variabel yang dipakai selama perhitungan
Perhitungan laju alir massa untuk umpan, produk, destilat, dan steam
m3 = 21 ml/s x 958.365 kg /m3 x 3600 s/jam x 106 m3 / 1 ml
= 72.45 kg/jam
m4 = 1.87 ml/s x
995.026 kg/ m3 x 3600 s/jam x 106 m3 / 1 ml= 6.69 kg/jam
Qs = 0.36 kg/min x 60 min/jam
= 21.6 kg/jam
Menentukan besarnya steam ekonomi (SE)
Menghitung besarnya effisiensi penggunaan steam
Pada perhitungan besarnya effisiensi penggunaan steam maka dipergunakan steam table pada kondisi tekanan steam sehingga diperoleh data nilai entalpi untuk suhu dan pengamatan tertentu
Kapasitas panas umpan (Cp2) = 4,098 kJ/kg.K
Kapasitas panas air (Cp3) = 4,217 kJ/kg.K
Kalor laten air = 2263,03 kJ/kg
S = 21.6 kg/jam
m3 =72.45 kg/jam
V = 12,223 kg/jam
F = 97,538 kg/jam ; TL-TF = 20° C
m1 |
hga |
hf |
hfg |
m3 |
D T2 |
m4 |
D T3 |
Q1 |
Q2 |
Qse |
21.98 |
2709.63 |
2329 |
2432.6 |
72.45 |
23.8 |
6.69 |
2 |
61746.4 |
22263.3 |
39483.1 |
25.2 |
2709.07 |
2333 |
2434 |
73.08 |
20.7 |
6.81 |
0.8 |
70498.5 |
21631.9 |
48866.6 |
30 |
2708.52 |
2345.5 |
2440 |
73.08 |
20.9 |
6.33 |
0.6 |
154455 |
20584.2 |
133871 |
m1 = laju massa steam terpakai dalam kg/jam
m3 = laju massa produk (kg/jam)
m4 = laju massa distilat (kg/jam)
hga = Entalpi steam pada TI4
hf = Entalpi kondesat pada T cond
hfg = Kalor laten kondensasi kukus pada TI6
D T2 = selisih temp umpan dan produk
D T3 = selisih temp produk dan penguapan (TI10 – TI7)
Q1 = kalor dilepas kukus(kJ/jam); Q1 =(mi xhga)-(m1axhf)+( m1axhfg)-(mib x hgb)
Q2 =kalor diterima oleh umpan (kJ/jam); Q2=(m3xCp2xD T2)+(m4xHK)+(m4xCp3xD T3)
Qse = jumlah panas yang diperlukan oleh sejumlah volume larutan yang berupa larutan tipisyang membasahi dinding –dinding tabung penukar pnas sampai titik didihnya; Qse=Q1-Q2
(ket:semua kukus mengalami kondensasi sehingga mib 0 dan mib=m1)
Qo |
Qi |
Epanas |
Eeva |
61746 |
22263.3 |
36.056 |
8.453 |
70499 |
21631.9 |
30.684 |
8.524 |
154455 |
20584.2 |
13.327 |
7.971 |
Perhitungan besarnya konstanta koefisien perpindahan panas keseluruhan (U)
Proses yang co-current
t1
t2
T2
T1
Ket:
T = temperatur fluida dingin
t = temperatur fluida panas
1 = masuk ; 2 = keluar
Interpolasi data untuk menentukan Xw/Kw stainless steel dengan tebal 1.8 mm
0.0048 = 0.45x – 0.04905
0.05385 =0.45x
x =0.120
Þ Xw/Kw =0.120 m2K/kW
(data-data interpolasi diambil dari "Petunjuk Praktikum Operasi Teknik Kimia 2" hal 54,Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung .1996 )
Perhitungan koefisien perpindahan panas (1/h )
U= 1/h +Xw/Kw
1/h = U- Xw/Kw
1/h = 17.13 –0.12
=17.01
Pembahasan
Pada percobaan ini yaitu percobaan operasi penguapan pada falling film evaporator dilakukan pemanasan pada umpan dengan menggunakan steam secara langsung dengan aliran fluida searah.
Dengan adanya panas yang dimiliki oleh steam maka kalor yang tersedia di lingkungan akan diterima oleh komponen zat dalam umpan yang salah satu diantaranya adalah air dengan kandungan paling besar. Kalor yang diterima oleh air akan berdampak pada meningkatnya energi kinetik yang dimiliki molekul-molekul air. Pergerakan molekul air yang kian cepat mengakibatkan molekul air saling menolak satu sama lain akibatnya fasa air akan berubah menjadi uap dan akhirnya melepasan diri dari ikatan air lainnya dalam campuran.
Pada proses penguapan cairan yang berupa lapisan tipis maka peningkatan energi kinetik akan jauh lebih cepat lagi karena pada lapisan tipis, panas yang diterima akan lebih cepat menyebar dan akan mempercepat proses penguapan.
Hasil perhitungan jumlah panas yang relatif tinggi untuk proses penguapan pada lapisan tipis bisa terjadi karena proses evaporasinya berlangsung kontinu yaitu bahwa umpan yang masuk ke operasi evaporasi digunakan secara terus menerus (umpan mengalami proses evaporasi berkali-kali) sehinga umpan yang telah pekat menuju kondisi yang lebih pekat lagi. Perlu dicatat bahwa pada suatu sistem dispersi yang telah pekat maka panas yang diberikan akan sulit untuk memisahkan komponen-komponen dalam sistem dispersi karena ikatan dalam komponennya semakin kuat sehingga dibutuhkan energi yang besar untuk memisahkannya.
Effisiensi penguapan akan berhubungan erat dengan kemampuan steam dalam memisahkan air dari campurannya. Kemampuan steam ini tidak akan lepas dari energi yang dimiliki oleh steam beserta kualitas dari steam itu sendiri.
Secara garis besar maka faktor yang berpengaruh pada proses evaporasi lapisan tipis dapat disebutkan sebagai berikut :
Kesimpulan
Daftar Pustaka
Tim Pengajar Jurusan Teknik Kimia.1996. Panduan Praktikum Operasi Teknik Kimia II.Bandung:Pusat pengembangan Pendidikan Politeknik
Geankoplis, Christi J. Transport Processes and Unit Operations : third edition.
1993, 1983, 1978. Prentice-Hall,Inc.
Reklaitis."Introduction to Material and Energy Balances"
LAPORAN PRAKTIKUM PILOT PLANT
PENGUAPAN LAPISAN TIPIS
(Falling Film Vertical Evaporator)
OLEH :
Nama/NIM : 1. Ganjar Budiman/ 99401014
Kelas : 3A
Dosen Pembimbing : Ir. rifandi
LABORATORIUM PILOT PLANT
JURUSAN TEKNIK KIMIA
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
BANDUNG
2001