BAB II

BAB IIEVAPORATOR2.1.Pendahuluan

Evaporator adalah alat untuk menguapkan cairan pelarut dari suatu larutan pada titik didihnya. Penguapan pelarut ini dapat ditujukan untuk mendapatkan :

a. larutan yang lebih pekat

b. zat murni, baik pelarutnya atau zat yang terlarut.

c. Bahan dalam fasa uap untuk diproses (vaporization)

Namun pada umumnya, tujuannya adalah mendapatkan larutan pekat dan pelarutnya seringkali adalah air, beberapa contoh adalah :

-. Larutan gula tebu, dipekatkan untuk dikristalkan

-. Larutan urea dipekatkan untuk dikristalkan atau dibutirkan

-. Air laut untuk mendapatkan garamnya atau air tawar.

- Juice buah , susu, untuk mendapatkan larutan yang pekat atau untuk

dikeringkan

- Larutan NaOH ,dsbnya..

Masalah yang dihadapi terutama adalah masalah perpindahan panas khususnya perpindahan ke larutan yang mendidih dan kelakuan larutan yang berbeda dengan pelarut murni (titik didih, kerapatan, kelarutan, viskositas dll.). Kepekaan zat terhadap panas perlu juga mendapat perhatian.2.2. Prinsip Penguapan

Penguapan adalah peralihan suatu zat dari fase cair ke fase gas (uap). Dalam peristiwa ini molekul-molekul zat berpindah dari fase cair ke fase uap. Penggerak perpindahan ini adalah perbedaan tekanan uap cairan dengan tekanan diatasnya (tekanan dimana cairan tsb berada). Penguapan akan berlangsung selama tekanan uap diatas cairan lebih rendah dari tekanan uap jenuh cairan. Pada suhu dibawah titik didih cairan, penguapan hanya berlangsung dari permukaan cairan saja.Dalam Industri diperlukan penguapan yang cepat. Untuk ini harus berlangsung dari seluruh bagian cairan, dan initerjadi apabila cairan berada pada titik didihnya.

Proses evaporasi yang dimaksudkan disini adalah prosespenguapan pada titik didihnya. Pada titik didih tekanan uap jenuh cairan sama dengan tekanan dimana cairan beradamolekul-molekukl zat dalam fase uap memiliki energi yang lebih tinggi dari pada molekul-molekul yang sama dalamfasa cair atau padat. Kenyataan ini menunjukkan bahwa untuk memindahkan molekul dari fase cair ke fase uap diperlukan energi, biasanya dalam bentuk panas.

Energi untuk merubah fase ini disebut panas latent penguapan.

Berdasakan kenyataan diatas dapat dilihat adanya dua hal yaitu :

penyediaan panas untuk diteruskan ke larutan

pemindahan uap, agar penguapan dapat berlangsung terus. Kalau tidak, tekanan uap cairan akan segera menyamai tekanan diatasnya dan penguapan berhenti.

Untuk menghindari pemompaan uap yang terlalu banyak, uap dikondensasikan dalam kondensor dan dikeluarkan berupa cairan.

2.3. Peralatan Evaporasi

Dalam evaporasi, panas ditambahkan untuk menguapkan pelarut, biasanya air. Panas yang digunakan umumnya adalah uap air jenuh tekanan rendah (saturated steam). Jenis-jenis evaporator :

1.Pan atau Ketel terbuka (Gambar 2.1) Bentuk evaporator yang paling sederhana adalah bejana/ketel terbuka dimana larutan dididihkan. Sebagai pemanas biasanya steam yang mengembun dalam selubung (jacket) atau dalam pipa spiral yang dicelupkan. Kadang-kadang ketel dipanasi api langsung.Pengaduk dapat ditempatkan di dalamnya. Evaporator ini murah dan operasinya sederhana, tetapi ekonomi panasnya rendah. 2. Evaporator dengan Pemanas Shell and Tube (Tubular)

Evaporator ini berupa bejana silender besar dengan pemanas tipe shell and rube Heat exchanger. Pemanas yang berupa steam atau medium lainnya dapat berada dalam shell dan larutan berada dalam Tube atau sebaliknya. Evaporator jenis ini dapat dibagi beberapa type:

a. pipa mendatar (gb. 2.2)

b. pipa tegak :

- pipa baku (standar gb. 2.3)

- pipa pan jang (gb. 2.4)

- pipa basket (gb. 2.5.)

c. evaporator dengan sirkulasi paksa (gb. 2.6)

Dari segi sirkulasi dapat dibedakan sirkulasi dengan sendirinya (bebas, natural circulation) dan sirkulasi paksa ( forced circulation),

Cairanh yang mendidih didalam pipa dapat bersikulasi dengan sendirinya (dari bawah keatas lalu kebawah lagi) karena perbedaan kerapatan.

Cairabn dalanm pipa bercampur dengan gelembung-gelembung uap sehingga kerapannya ringan dan bergerak keatas. Didalam pipa panjang (3 10 m) gerakan cairan keatas lebih cepat dari pada dalam pipa pendek (baku). Gerakan yang cepat ini memperbesar koefisien perpindahan panas (aliran dengan

turbulensi yang tinggi). Dengan demikian pemindahan panas lebih baik. Demikian pula pada sistim dengan aliran paksa. Disini aliran cairan dibantu dengan pompa . (Gambar 2.6) memperlihatkan evaporator dengan aliran paksa..

3. Film Evaporator (gb . 2.7.)

Dalam evaporator ini larutan yang akan dipekatkan mengalir ke bawah berupa larutan tipis pada suatu dinding kolom yang dipanasi. Aliran yang cepat dan lapisan yang tipis memberikan koefisien perpindahan panas yang besar. Aliran dibuat dengan bantuan pengaduk mekanis. Aliran larutan dari bagian atas masuk tabung dan disebarkan dalam bentuk lapisan tipis dan mengalir secara turbulen oleh pengaduk vertical. Larutan pekat keluar dari bawah dan uap dari atas tabung.

Proses penguapan berlangsung cepat, dan alat ini cocok untuk cairan yang peka terhadap panas.(juice buah, anti buiotik ) dan larutan yang kental karena dengan cara ini dapat diperoleh koefisien perpindahan panas yang tinggi.

2.4.Operasi Evaporator2.4.1.Evaporator Tunggal

Gambar II.8 memperlihatkan diagram evaporator tunggal (satu tahap atau satu efek). Umpan masuk pada suhu TF (K), dipanasi dengan uap jenuh Ts (K). Uap akan mengembun dan memberikan panas kepada larutan. Larutan dalam evaporator teraduk dengan sempurna sehingga dapat dianggap mempunyai suhu dan konsentrasi yang sama, yaitu pada titik larutan T1 dan konsentrasi larutan hasil. Suhu uap juga T1 (dalam kesetimbangan dengan larutan), Tekanan uap P1 adalah tekanan uap larutan pada T1.Operasi satu tahap dipakai apabila kapasitas operasi yang diperlukan kecil dan/atau harga steam relatip murah.

2. Evaporator Bertahap banyak (Multiple Efect Evaporator)

Operasi bertahap satu memperlihatkan pemborosan energi karena panas laten yang dibawa keluar uap tidak digunakan lagi.

Operasi bertahap banyak bertujuan memanfaatkan panas tsb. Gambar II.9 memperlihatkan bagan operasi evaporator berefek tiga (triple efect evaporators) dengan umpan maju (forward feed).

Gmbr II.9. Bagan Aliran Dalam Evaporator Tiga Efek Umpan Maju

Dalam evaporator bertahap banyak, uap yang dihasilkan dalam evaporator pertama digunakan sebagai pemanas dalam evaporator kedua dan uap dari evaporator kedua digunakan sebagai pemanas evaporaor ketiga dan seterusnya. Disini panas laten yang dibawa uap dimanfaatkan berulang-ulang.

Apabila umpan masuk evaporator pertama berupa cairan pada titik didihnya, maka 1 kg uap akan menguapkan 1 kg air. Begitu juga dengan tahap tahap berikutnya. Secara kasar dapat dikatakan bahwa 1 kg uap dapat menguapkan 3 kg air (evaporator 3 tahap). Ini juga berlaku untuk jumlah tahap yang lebih banyak).

Karena uap dari suatu evaporator digunakan untuk memanaskan evaporator berikutnya, maka titik didih larutan dalam evaporator berikutnya harus lebih rendah dari titik didih larutan dalam evaporator yang dimuka. Dalam operasi dengan umpan maju, umpan untuk satu evaporator adalah larutan hasil dari evaporator dimukanya, berarti larutan yang lebih pekat dari larutan umpan dimukanya dan titik didih normalnya lebih tinggi.

Untuk mendapatkan titik didih yang lebih rendah, maka evaporator tsb harus dioperasikan pada tekanan yang lebih rendah. Jadi tekanan kerja evaporator 3 (P3) lebih rendah dari P2 dan P2 lebih rendah dari P1.

Ini dilakukan dengan cara menarik uap dari evaporator terakhir dengan alat vakum (jet ejector atau pompa vakum). Pada cara umpan maju ini larutan dari evaporator 1 dapat mengalir dengan sendirinya ( karena beda tekanan) ke evaporator 2, dan dari evaporator 2 ke evaporator 3.

Pompa larutan hanya dioperasikan untuk umpan masuk ke evaporator 1 dan pengeluaran hasil dari evaporator terakhir. Uap dari evaporator terakhir dikondensasikan dalam sebuah kondensor vakum. Umpan maju digunakan bila larutan encer berada pada suhu tinggi atau hasil akhir mudah rusak oleh suhu tinggi.

Cara pemasukkan umpan yang lain adalah cara mundur (backward feed), umpan sejajar (paralel-feed) Gambar II.10 dan umpan campur (mixed feed).

Untuk umpan mundur, larutan dari tekanan rendah mengalir ke tekanan yang lebih tinggi sehingga memerlukan pompa. Larutan encer masuk ke efek terakhir dan hasil pekat dikeluarkan ke efek pertama. Cara umpan mundur dilakukan bila suhu larutan masuk rendah (berarti pemanasan pada suhu tinggi dalam efek-efek pertama) dan hanya dilakukan terhadap cairan yang sedikit jumlahnya. Cara ini juga dilakukan bila hasil yang pekat sangat kental (viscous), suhu tinggi pada efek pertama menurunkan kekentalan.

Umpan paralel (Gambar II.10) digunakan bila larutan umpan menedekati jenuh dan hasil evaporasi mengandung kristal (pembuatan garam dari air laut).

2.5. Alat Bantu Evaporator

2.5.1. Kondensor

Uap yang dikeluarkan dari evaporator sering harus diembunkan dan

dikeluarkan sebagai air. Hal ini dilakukan bila operasi pada tekanan di bawah atmosfir (vacum). Pengembunan dapat dilakukan dalam kondensor kontak dimana uap bertemu langsung dengan air pendingin atau kondensor permukaan dimana uap dan air pendingin dipisahkan oleh dinding logam.

Kondensor Permukaan

Kondensor ini digunakan apabila kondensat dan air pendingin tidak boleh bercampur. Kondensor ini adalah Tube and Shell Heat Exchanger dengan uap berada di shell dan air pendingin di tube. Gas yang tidak mengembun (udara, CO2, N2 )diventilasikan keluar.

Apabila uap harus dikondensasikan dibawah vacum, gas tidak terkondensasi ditarik dengan pompa vakum atau ejector dan air dipompa keluar atau turun lewat pipa (kaki) barometrik.

Kondensor Kontak Dalam kondensor ini uap yang akan dikondensasikan dipertemukan (kontak) dengan air pendingin. Salah satu type kondensor ini adalah kondensor barometrik (Gambar II.12). Kondensor ini digunakan kondensasi vakum.

Uap masuk kondensor dipertemukan dengan percikan air pendingin. Gas yang tidak terkondensasi diventilasikan keluar atau ditarik dengan ejektor atau pompa vakum. Air yang mengembun akan mengisi pipa (kaki) barometrik yang cukup panjang sehingga tinggi kolom air dalam pipa ini cukup untuk mengatasi beda tekana udara luar dengan tekanan vakum dalam kondensor. Dengan demikian air dapat keluar dengan sendirinya. Tinggi kaki pipa ini sekitar 10,4 m (34 ft).

Gambar II. 10. Diagram untuk Umpan Mundur dan umpan paralle

Kondensor barometrik relatif murah dan penggunaan air pendingin sedikit. Konsumsi air untuk kondensor barometrik dapat dihitung dengan neraca panas.

--------------- Air pendingin, W kg/jam

T

Uap, V kg/jam --(

Ts

(W + V) kg/jam

T2

Neraca panas

V + Hs - W . Cp ( T1 - 273 ) = ( V + W ) ( T2 273 ) ....................................(2.1)

Hs = enthalpi uap pada suhu Ts diperoleh dari steam table

W/V = (kg air / kg uap) = (Hs Cp ( T2 273 )/ ( Cp (T2 T1)) ...................... (2.2)

2.5.2. Penahan tetes cairan

Piranti ini digunakan untuk menahan tetesan-tetesan cairan (busa0 yang terbawa aliran uap. Secara skematis digambarkan pada gb. 2.13.

2. 5.3. Pembuat VakumUntuk mendapatkan tekanan rendah dapat digunakan peralatan seperti

pompa hisap

Ejektor (Gambar II.14)

Ciri utama ejektor adalah ekspansi fluida melalui nosel. Fluida yang keluar dari nosel berhubungan dengan ruangan yang akan dibuat hampa. Kenaikkan kecepatan fluida melalui nosel diimbangi dengan penurunan tekanan. Bila tekanan ini lebih rendah dari ruangan yang berhubungan , fluida yang berada diruangan akan terhisap ejektor. Ejector umumnya dioperasikan dengan steam.

Di bidang teknik kimia, sering kali bahan padat harus di pisahkan dari larutan atau lelehan tanpa mengikutkan kotoran-kotoran yang terkandung dalam fase cair tersebut. Sering kali juga bahan padat kristalin yang mengandung pengotor harus dibersihkan, atau harus dihasilkan Kristal tertentu. Untuk maksud-maksud tersebut kristalisasi dapat digunakan sebagai metode pelaksanaan tujuan tersebut.

Kristal adalah bahan padat dengan susunan atom atau molekul yang teratur(kisi Kristal). Yang dimaksud dengan kritalisasi ialah pemisah bahan padat yang berbentuk Kristal dari suatu larutan atau lelehan. Berlawanan misalnya dengan destilasi atau rektifikasi, kristalisasi tidak menghasilkan produk akhir yang langsung dapat digunakan. Kristal-kristal yang terbentuk pada umumnya masih harus dipisahkan dari sebagian besar larutan dengan cara penjernihan atau penyaringan. Jika perlu proses dilanjutkan dengan pencucian dan pengeringan. Di lain pihak, kristalisasi dari lelehan sering harus didinginkan lagi atau dikecilkan ukuranya.

Definisi dari kristalisasi sendiri adalah pemisahan pada-cair dimaa terjadi transfer massa dari larutan ke padatan. Atau dengan kata lain sebagai partikel padatan yang terbentuk darisuatu fase yang homogeny (berupa larutan).

Di dalam industri . terutama pada masalah kristalisasi, beberapa hal yang perlu diketahui ialah :

a. Rendemen

b. Kemurnian

c. Bentuk dan ukuran (tergantung data keseimbangan fase pada-cair)

d. Keseragaman ukuran (ada distribusi ukuran produk crystallizer)

Dari keempat poin tersebut bentuk dan ukuran suatu Kristallah yang menentukan kualitas produk. Misalkan Kristal berbentuk serabut, jarum, batang, lapisan, lembaran dan sebagainya. Untuk bentuk Kristal tertentu akan memberikan tahanan pada saat filtrasi. Oleh karenanya membutuhkan prosedur yang tepat agar mendapatkan produk Kristal yang menguntungkan.

Uap ke kondensor, T 1

Umpan, T p

Steam, T s

P 1 , T1

Kondensat, T s

Larutan pekat (hasil) T 1

Gambar II.8 Diagram Evaporator Satu tahap.

Uap 1, T 1

Uap 2, T 2

Uap 3, T 3

1

T1 , P1

2

T2 , P2

3

T3 , P3

Ke kondensor

Kondensat

Kondensat

Kondensat

Hasil larutan pekat, T3

Steam

TS

umpan

To condenser

product

steam

live

feed

Backward feed system

I

II

III

IV

To condenser

live

steam

product

feed

Parallel feed system

I

II

III

IV

15