PENGUAPAN LAPISAN TIPIS

 

Tujuan

§         Menggunakan alat unit penguapan di lab OTK Politeknik dengan aman dan benar

§         Memilih temperatur dan tekanan yang sebaik mungkin untuk umpan tertentu

§         Menghitung koefisien keseluruhan perpindahan panas untuk FFE atau kalandria

§         Menerapkan effisiensi penggunaan kukus sebagai catu kalor

 

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 :

·        Konsumsi uap

·        Ekonomi uap atau ratio penguapan

·        Kadar kepekatan, konsentrasi produk, dan distilat atau kondensat dari umpan

·        Persentase produk

Untuk tujuan teknik dan karakteristik evaporator yang perlu diperhatikan yaitu :

·        Neraca massa dan neraca energi

·        Koefisien perpindahan panas

·        Effisiensi

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

 

1.      Beaker gelas 250 mL dan 1000 mL

2.      Stopwatch

3.      Konduktometer

Bahan yang dipakai

1.      Indikator EBT

 

Cara Kerja

Pemanasan langsung oleh kukus arus searah

·        Katup-katup yang harus tertutup

V2, V4, V5, V6, V7, dan V8

·        Katup-katup yang harus terbuka penuh

Katup utama, V3, V10, dan pembuangan di bawah steam trap 1

1.      Masukkan EBT ke dalam gelas kimia kemudian aduk

2.      Masukkan larutan tadi ke dalam tangki umpan yang telah berisi penuh dengan air kemudian aduk sampai benar-benar homogen

3.      Pada panel pengendali nyalakan katup udara tekan dan diteruskan dengan memutar saklar utama pada posisi angka 1 disusul saklar tekanan juga ke angka 1

4.      Set tekanan steam sebesar 0,75 Bar dengan mengaturnya pada tombol set point

5.      Tekan tombol pompa kemudian atur laju umpan sebesar 100 L/menit

6.      Pada saat umpan telah memasuki kalandria mulai buka katup suplai steam kemudian biarkan proses berlangsung]

7.      Setiap 30 menit sekali ukur laju pada destilat, laju pada produk, temperatur produk, dan catat variabel-variabel terukur yang ada pada panel pengendali serta konduktifitas produk dan destilat

8.      Khusus untuk pengukuran laju steam dilakukan setiap 1 jam sekali

9.      Lakukan pengamatan ini 3 kali selang 30 menit

 

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

 

	Waktu dalam satuan menit TI, TI-04, TI-06, TI-07, TI-08, TI-10, TI-14  dalam satuan °C Tekanan steam 0,75 Bar

 

 

 

 

 

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

Qp adalah laju alir produk (mL/s) Qd adalah laju alir destilat (mL/s) Qs adalah laju alir steam (kg/min) Tp adalah temperatur produk( °C) Tcond=temperatur Kondesat( °C) Tdist =temperatur distilat( °C)

 

 

 

 

 

 

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 :

 

Pengolahan Data

Variabel yang dipakai selama perhitungan

	F = laju alir massa umpan  (kg/jam) L = laju alir massa produk  (kg/jam) V = laju alir massa destilat (kg/jam) S = laju alir steam (kg/jam) TI-01 = suhu steam masuk TI-04 = suhu heat agent keluar FFE TI-06 = suhu air pendingin TI-07 = suhu umpan masuk TI-08 = suhu kondensat TI-10 = suhu uap produk TI-11 = suhu produk TI-12 = suhu destilat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Perhitungan laju alir massa untuk umpan, produk, destilat, dan steam

·        Perhitungan laju alir massa umpan

 

 

 

 

 

 

 

·        Perhitungan laju alir massa produk

m3 = 21 ml/s  x  958.365 kg /m³  x 3600 s/jam x 10⁶ m³  / 1 ml

      = 72.45 kg/jam

·        Perhitungan laju alir distilat

m4 = 1.87 ml/s x 995.026 kg/ m³ x 3600 s/jam x 10⁶ m³  / 1 ml

      = 6.69 kg/jam

·        Perhitungan laju alir Steam

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    ;      T_L-T_F = 20°C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m1	hga	hf	hfg	m3	DT2	m4	DT3	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

DT2 = selisih temp umpan dan produk

DT3 = selisih temp produk dan penguapan (TI10 – TI7)

Q1 = kalor dilepas kukus(kJ/jam); Q1 =(m_i xhga)-(m_1axhf)+( m_1axh_fg)-(m_ib x h_gb)

Q2 =kalor diterima oleh umpan (kJ/jam); Q2=(m3xCp2xDT2)+(m4xHK)+(m4xCp3xDT3)

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 m_ib 0 dan m_ib=m1)

 

 

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 :

·        Temperatur steam yang disesuaikan dengan karakteristik bahan yang akan dievaporasi dalam hal untuk mencegah terbentuknya kerak pada kolom evaporasi yang dapat menurunkan kualitas perpindahan panas dari steam ke bahan.

·        Tekanan operasi yang mempengaruhi proses penguapan pelarut

·        Laju alir umpan dengan sifat fisik dan kimianya yang akan mempengaruhi keefisienan dan keoptimalan proses

·        Luas permukaan kontak antara umpan dan media pemanas dengan waktu kontaknya

·        Laju alir steam dan laju alir air pendingin

Kesimpulan

1.      laju alir massa umpan = 97.538 kg/jam

2.      laju alir massa produk  paling besar = 73.08 kg/jam diperoleh pada data kedua dan ketiga

3.      laju alir distilat paling besar adalah 6.81 kg/jam diperoleh pada data kedua

4.      Kalor yang dilepas oleh steam adalah 70498.5 kg/jam dan diperoleh pada data kedua

5.      Kalor yang diterima  adalah 22263.3 kg/jam dan diperoleh pada data pertama

6.      Efisiensi panas paling besar adalah 36.056 % dan diperoleh pada data pertama

7.       Efisiensi penguapan paling besar adalah 8.524 % dan diperoleh pada data kedua

8.       koefisien perpindahan panas (1/h ) dalam percobaan ini adalah 17.01

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

9.              Shofiyudin /99401015

10.          Alfian Syahri/99401046

Kelas                           : 3A

Dosen Pembimbing       : Ir. rifandi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LABORATORIUM PILOT PLANT

JURUSAN TEKNIK KIMIA

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

BANDUNG

2001