BAB V

EVAPORASI

Pendahuluan

Evaporasi adalah suatu proses penguapan pelarut dari suatu larutan yang

terdiri dari zat terlarut yang tak mudah menguap dan pelarut yang mudah

menguap. Alat penguapan yang digunakan disebut evaporator. Operasi evaporasi

atau penguapan pada dasarnya merupakan operasi pendidihan khusus, dimana

terjadi peristiwa pepindahan panas dalam cairan yang mendidih. Tujuan operasi

evaporasi adalah untuk memperoleh larutan pekat dari larutan encer dengan jalan

pendidihan dan penguapan.

Dalam kebanyakan proses evaporasi, pelarut yang digunakan adalah air.

Evaporasi dilaksanakan dengan menguapkan sebagian dari pelarut sehingga

didapatkan larutan zat cair pekat yang konsentrasinya lebih tinggi. Evaporasi tidak

sama dengan pengeringan; dalam evaporasi sisa penguapan adalah zat cair,

kadang-kadang zat cair yang sangat viskos, dan bukan zat padat. Evaporasi

berbeda pula dari distilasi karena disini uapnya biasanya komponen tunggal, dan

walaupun uap itu merupakan campuran, dalam proses evaporasi ini tidak ada

usaha untuk memisahkannya menjadi fraksi-fraksi. Evaporasi berbeda dari

kristalisasi dalam hal penekanannya disini ialah pada pemekatan larutan dan

bukan pembuatan zat padat atau kristal. Dalam situasi-situasi tertentu, misalnya

pada penguapan air asin untuk membuat garam, garis pemisah antara evaporasi

dan krista1isasi tidaklah dapat dikatakan tegas. Sebab evaporasi kadang- kadang

menghasilkan lumpur kristal di dalam larutan induk.

Lazimnya, dalam evaporasi, zat cair pekat itulah yang merupakan

produk yang berharga dan uapnya biasanya dikondensasikan dan dibuang. Tetapi,

dalam suatu situasi tertentu, kebalikannyalah yang benar. Air yang mengandung

mineral seringkali diuapkan untuk mendapatkan hasil yang bebas zat padat untuk

96

umpan ketel didih, karena persyaratan khusus proses, dan untuk konsumsi

manusia. Teknik ini biasa disebut disti1asi air (water distillation), tetapi dari segi

teknik proses itu adalah evaporasi. Proses-proses evaporasi skala besar sudah

banyak dikembangkan dan digunakan untuk membuat air minum dari air laut. Di

sini hasil yang dikehendaki adalah air kondensasi. Hanya sebagian kecil saja dari

keseluruhan air dalam umpan yang dipulihkan, sebagian besar dikembalikan ke

laut.

5.1. Beberapa Sifat –sifat penting dari zat cair yang divaporasikan

5.1.1 Konsentrasi

Walaupun cairan encer yang diumpankan ke dalam evaporator mungkin cukup

encer sehingga beberapa sifat fisiknya sama dengan air, tetapi jika konsentrasinya

meningkat, larutan itu akan makin bersifat individual. Densitas dan viskositasnya

meningkat bersamaan dengan kandungan zat padatnya, hingga larutan itu menjadi

jenuh, atau jika tidak, menjadi terlalu lamban sehingga tidak dapat melakukan

perpindahan kalor yang memadai. Jika zat cair jenuh didihkan terus, maka akan

terjadi pembentukan kristal; kristal-kristal ini harus dipisahkan karena. Bisa

menyebabkan tabung evaporator tersumbat. Titik didih larutanpun dapat

meningkat dengan sangat cepat bila kandungan zat padatnya bertambah, sehingga

suhu didih larutan jenuh mungkin jauh lebih tinggi dari titik didih air pada

tekanan yang sama.

5.1.2 Pembentukan busa

Beberapa bahan tertentu, lebih-Iebih zat-zat organik, membusa pada waktu

diuapkan. Busa yang stabi1 akan ikut ke luar evaporator bersama uap, dan

menyebabkan banyaknya bahan yang terbawa ikut. Dalam hal-hal yang ekstrim,

keseluruhan masa zat cair itu mungkin meluap ke dalam saluran uap keluar dan

97

terbuang.

5.1.3 Kepekaan terhadap suhu

Beberapa bahan kimia berharga, bahan kimia farmasi, dan bahan makanan dapat

rusak bila dipanaskan pada suhu sedang selama waktu yang singkat saja. Dalam

mengkonsentrasikan bahan- bahan seperti itu diperlukan teknik khusus untuk

mengurangi suhu zat cair dan menurunkan waktu pemanasan.

5.1.4 Kerak

Beberapa larutan tertentu menyebabkan pembentukan kerak pada permukaan

pemanasan. Hal ini menyebabkan koefisien menyeluruh makin lama makin

berkurang sampai akhimya kita terpaksa menghentikan operasi evaporator untuk

membersihkannya. Bi1a kerak itu keras dan tak dapat larut, pembersihan itu tidak

mudah dan memakan biaya.

5.1.5 Bahan konstruksi

Bila memungkinkan, evaporator sebaiknya dibuat dari baja. Akan tetapi, banyak

larutan yang merusak bahan-bahan besi, atau menjadi terkontaminasi oleh bahan

itu. Karena itu digunakan juga bahan-bahan konstruksi khusus seperti tembaga,

nikel, baja tahan karat, aluminium, grafit tak-tembus, dan timba1. Oleh karena

bahan-bahan ini relatif mahal, maka laju perpindahan kalor harus tinggi agar

dapat menurunkan biaya pokok peralatan.

Banyak karakteristik lain zat cair juga perlu mendapat perhatian dari

perancang evaporator, antara lain kalor spesifik, kalor konsentrasi, titik beku,

pembebasan gas pada waktu mendidih, sifat racun, bahaya ledak, radioaktivitas,

dan persyaratan operasi steril (suci hama. Oleh karena adanya variasi dalam sifat-

sifat zat cair maka dikembangkan berbagai jenis rancangan evaporator.

Evaporator mana yang dipilih untuk suatu masalah tertentu bergantung terutama

98

pada karakteristik zat cair itu.

5.2 Jenis-jenis evaporator

Jenis-jenis utama evaporator tabung dengan pemasukan uap yang lazim dipakai

adalah:

1. Evaporator tabung horizontal

2. Evaporator tabung panjang:

a. Aliran ke atas (film panjat)

b. Aliran ke bawah (film-jatuh)

c. Sirkulasi paksa .

3. Evaporator film aduk

Gambar 5.1. Evaporator Tabung Horizontal

99

Gambar 5.2. Evaporator Vertikal Tabung Panjang

Gambar 5.3. Evaporator film Turbulen

100

5.3 Dasar-dasar Evaporator

Evaporator pada dasarnya adalah operasi pemekatan larutan dengan jalan

menguapkan sebagian pelarut dari larutan tersebut. Dengan kata lain operasi

evaporasi bertujuan untuk membuat larutan yang konsentrasi solutenya rendah

(encer) menjadi larutan yang konsentrasi solutenya tinggi (pekat).

Larutan adalah campuran antara solute dan pelarut yang membentuk massa cair

yang homogen. Hal ini terjadi apabila kelarutan solute dalkam pelarut sangat

besar.

Larutan = solute + pelarut

L = S + P

Konsentrasi solute :

Untuk menaikkan konsentrasi C dengan cara menguapkan sebagian pelarut P.

Misalkan pelarut yang menguap sebanyak v, maka konsentrasi setelah evaporasi

menjadi :

Disini terlihat bahwa C1 > C. Kadang-kadang bisa saja terjadi bahwa konsentrasi

C1 sangat dekat konsentrasi jenuh larutan tersebut. Pada kondisi demikian sangat

mungkin solute keluar dari larutan (mengkristal), sehingga pada umumnya

evaporator dilengkapi dengan alat perangkap garam yang tujuannya untuk

memisahkan solute yang terbentuk tadi.

Sesuai dengan prinsip evaporasi di atas bahwa yang diuapkan adalah

pelarutnya saja, maka syarat untuk dilakukan operasi terhadap suatu larutan

adalah sebagai berikut :

1. Pada kondisi normal (tekanan 1 atm dan suhu ruangan) fase solute adalah

padat.

2. Dalam hal solute fasenya cair, maka harus mempunyai titik didih yang

sangat tinggi dibanding titik didih pelarutnya.

101

Penguapan pelarut pada operasi evaporasi terjadi pada kondisi titik didih

larutannya. Suatu larutan yang terdiri dari komponen-komponen solute dan

pelarut apabila beda antara dew point dan bubble point pada setiap konsentrasi

sangat besar, maka untuk pemisahan pelarutnya dapat dilakukan dengan cara

evaporasi (Gb. 5-1). Sebaliknya apabila beda antara dew point dan bubble point

pada setiap konsentrasi kecil, atau dengan kata lain dew point berdekatan dengan

bubble point, maka operasi pemisahan tidak dapat dilakukan dengan cara

evaporasi, tetapi bisa dilakukan dengan cara distilasi (Gb. 5-2).

Suatu perancangan operasi evaporasi, perlu diperhatikan :

Sifat-sifat fisis atau kimia dari larutan yang akan dipekatkan. Sifat fisis

meliputi density, viskosity, titik didih, tegangan muka (mudah berbuih atau

tidak). Sifat kimia diantaranya sifat kestabilan senyawa dalam larutan tersebut

terhadap temperatur. Sebagai contoh apakah larutan pekatnya mudah

terdekomposisi atau mengalami peruraian pada temperatur tinggi. Sifat-sifat

dari larutan yang akan dipekatkan ini menentukan metode feeding atau pola

102

dew point

dew point

bubble point bubble point

Tem

pera

tur,

o F

Tem

pera

tur,

o F

Fraksi berat solute Fraksi berat solute

Gambar 5.4 Sistem NaOH - air Gambar 5.5 Sistem alkohol - air

operasi evaporator yang akan dipakai. Sebagai contoh untuk zat-zat yang tidak

tahan terhadap suhu tinggi (misal larutan nira) akan cocok apabila memakai

sistem forward feed. Untuk zat-zat yang mempunyai sifat viskositasnya tinggi

lebih cocok apabila dipakai sistem backward feed. Selain itu dari sifat fisis zat

juga dipakai sebagai pertimbangan dalam menentukan jenis evaporator mana

yang cocok digunakan. Sebagai contoh untuk memekatkan larutan yang

mempunyai sifat berbuih, lebih cocok menggunakan jenis evaporator pipa

panjang (long tube eveporator).

Temperatur umpan (feed) juga menjadi pertimbangan dalam memilih pola

operasi evaporator. Umpan yang dingin sebaiknya dimasukkan pada effect

yang temperaturnya paling rendah.

Derajat pemekatan yang diinginkan juga akan menentukan pemilihan

operasi pemekatan apakah menggunakan penguap tunggal (single effect) atau

penguap berangkai (multiple effect). Pada umumnya untuk derajat pemekatan

yang besar, jarang menggunakan sistem single effect karena tidak ekonomis.

Artinya biaya operasi yang terdiri atas biaya steam dan air pendingin sangat

besar. Dalam hal tersebut sistem multiple effect evaporation lebih

menguntungkan.

5.4 Sistem Operasi Evaporator

Ada 2 macam sistem operasi evaporator, yaitu :

1. Sistem penguap tunggal (single effect evaporation)

2. Sistem penguap ganda (multiple effect evaporation)

Sistem penguap tunggal adalah proses pemakatan larutan dengan

menggunakan satu evaporator, sedang sistem penguap ganda menggunakan lebih

dari satu evaporator. Sistem yang menggunakan 2 evaporator disebut double

effect evaporation, 3 evaporator disebut triple effect evaporation dan seterusnya.

Pada penguap tunggal, umpan (feed) adalah larutan encer yang dididihkan

pada temperatur yang sesuai dengan tekanan pada ruang evaporator tersebut.

103

Sebagai tenaga pemanas adalah steam bertekanan rendah dan keadaannya jenuh

(saturated steam). Hasilnya adalah larutan pekat dan uap dari pendidihan larutan

tersebut.

Pada sistem penguap ganda adalah 2 evaporator atau lebih yang dirangkai

secara seri. Effect pertama merupakan penguap tunggal yang dihubungkan seri

dengan effect-effect berikutnya. Larutan pekat dari effect pertama menjadi umpan

effect kedua, sedang uap hasil pendidihan effect pertama dipakai sebagai pemanas

pada effect kedua, demikian seterusnya larutan pekat effect kedua menjadi umpan

effect ketiga dan uap hasil effect kedua dipakai sebagai pemanas effect ketiga

5.5 Unjuk Kerja Evaporator

Untuk mengetahui unjuk kerja evaporator digunakan suatu parameter penilai,

parameter yang dimaksud adalah :

- ekonomi evaporator

- kapasitas evaporator

5.5.1 Ekonomi evaporator

Ekonomi evaporator didefinisikan : kg air yang diuapkan setiap

pemakaian sat kg steam pemanas

Untuk sistem single effect

Untuk sistem multiple effect

Dimana : η = ekonomi evaporator

V = air yang diaupkan (kg/j)

S = konsumsi steam (kg/j)

Harga η untuk single efek kecil yaitu 0,6 sampai 0,7 oleh karena itu pemekatan

dengan sistem single effect tidak efisien atau tidak ekonomis. Untuk memperbesar

harga η dengan menambah jumlah effect. Makin besar jumlah effect makin besar

104

pula harga η. Secara kasar harga ekonomi evaporator dapat diprediksi sebesar :

η = 0,8 n dimana n = jumlah effect

Disamping jumlah effect, ekonomi evaporator juga dipengaruhi oleh temperatur

umpan. Temperatur umpan yang dingin akan mengurangi harga η karena kalor

dari steam yang seharusnya untuk menguapkan air menjadi berkurang karena

dipakai untuk menaikkan temperatur umpan sampai temperatur titik didihnya

sebesar panas sensiblenya yaitu : MF . Cp F (t1 - tF)

Ekonomi evaporator ini penting dalam hubungannya dengan biaya operasi

evaporator atau biaya steamnya. Ekonomi evaporator tinggi biaya steam rendah,

dengan demikian biaya operasi turun.

5.5.2 Kapasitas evaporator

Kapasitas evaporator didefinisikan : kg air yang diuapkan setiap jam.

Kapasitas evaporator tergantung pada laju perpindahan panas (Q) masing-masing

effect. Jadi faktor yang mempengaruhi besarnya kapasitas evaporator adalah

luas permukaan perpindahan panas A, koefisien perpindahan panas menyeluruh

U dan perbedaan suhu efektif ∆Teff, sesuai dengan hubungan Q = U A ∆Teff.

Makin besar harga U, A atau ∆Teff maka makin besar harga Q sehingga jumlah air

yang diuapkan setiap waktu makin besar atau dengan kata lain kapasitas

evaporator makin besar. Disamping itu temperatur umpan juga mempengaruhi

kapasitas evaporator. Temperatur feed yang dingin akan mengurangi kapasitas

evaporator karena sebagian kalor Q digunakan untuk menaikkan suhu feed

sampai titik didihnya.

5.6 Kenaikan titik didih

Dalam operasi evaporator, terutama untuk pemekatan larutan anorganik

menunjukkan bahwa titik didih larutan lebih tinggi dibanding titik didih pelarut

murninya (titik didih air). Penomena tersebut disebut kenaikan titik didih atau

105

BPR. BPR ini cukup nyata pada senyawa-senyawa anorganik, namun tidak begitu

nyata untuk senyawa-senyawa organik, terutama yang berat molekulnya tinggi.

Adanya BPR ini menyebabkan ∆T yaitu beda temperatur pemanas dan

temperatur titik didih larutan menjadi kecil.

Gambar 5.6. Garis-garis Duhring, sistem NaOH – Air

106

Gambar 5.7 Diagram Enthalpi-Konsentrasi Sistem NaOH - Air

107

5.7 Perhitungan Kebutuhan steam dan luas evaporator pada sistem single

effek

Pada sistem single effect panas dari steam dipindahkan melalui

permukaan bidang pemanas ke cairan yang sudah berada pada suhu didihnya.

Panas tersebut digunakan untuk menguapkan air.

Keterangan

F = laju alir larutan encer (feed) A= luas permukaan perpindahan panas

S = laju alir steam atau condensat V = laju alir uap

L = Laju alir larutan pekat q = kapasitas panas

tF = temperatur larutan encer (umpan) xF = fraksi massa umpan

PS = tekanan steam xL = fraksi massa produk

tS = temperatur steam atau kondensat T1= titik didih larutan

HS = enthalpi steam E = steam ekonomi

HV = enthalpi uap

hC = enthalpi kondensat

hF = enthalpi feed (umpan)

hL = enthalpi cairan pekat (produk)

U = koefisien perpindahan panas keseluruhan

Feed

F, tF, hF, xF

Steam

S, tS, HS,PS kondensat

S, tS, hC

L, hL,xL, T1

P1,T1, U,A

Gambar 5.8 Sistem Single Effect

Produk (Larutan Pekat)

V,H,y

108

Laju perpindahan panas dari steam ke larutan

Q= UAΔT…………………………………………….5.1

Neraca massa,

Neraca massa total F = L + V………………………………………..5.2

Neraca massa solute F.xF = L.xL + V.y

Karena konsentrasi solute dalam uap (y=0), maka,

F.xF = L.xL ………………………………………....5.3

Neraca entalpi

Dalam menyusun neraca enthalpi diambil asumsi-asumsi sebagai berikut :

Tak ada kebocoran atau percikan keluar

Adanya non condensable gas diabaikan

Tak ada kehilangan panas ke sekeliling

Steam pemanas masuk dalam keadaan jenuh dengan suhu tS dan

kondensat keluar dalam keadaan cair jenuh dengan suhu tS.

Panas pelarutan diabaikan

Asumsi di atas diambil karena pada praktek kadang-kadang dipakai superheated

steam yang temperaturnya sedikit di atas tS, dan kondensat keluar pada suhu

sedikit dibawah tS (sub cooled).

Neraca enthalpi :

F . hF + S . HS = V . H + S . hC + L . hL …………………5.4

S (HS – hC) = V . H + L . hL - F . hF

Karena HS – hC = λS = panas laten steam

S . λS = V . H + L . hL - F . hF

Konsumsi steam dapat diperoleh,

................................................................5.5

Untuk menentukan luas permukaan perpindahan panas,

Q = U.A.ΔT = S . λS ....................................................................5.6

109

..................................................................................5.7

dengan:

S . λS = Kalor yang dilepas steam pada suhu tS (= q)

ΔT = tS – T1

CARA MENCARI DATA-DATA YANG DIPERLUKAN

Bila PI diketahui maka dari Steam Table akan didapat : tb & H

Bila tb diketahui maka dari Steam Table akan didapat : PI & H

Bila Ps diketahui maka dari Steam Table akan didapat : ts, λs & Hs

Mencari ENTHALPY Perhatikan Ada KTD / TIDAK

I. KTD Tidak Ada

*. TI = tL = tV= tb (titik didih air murni pada P1)

*. hL = entalpi produk didapat dengan temp T1 (titik didih larutan)

*. H = entalpi uap diperoleh pada T1

1. KTD Diperhitungkan

*. tb diketahui dari Steam Table pada PI

Tb dengan xL dari gambar 5.6 Duhring Chart akan didapat T1

*. Hv = Hb + 1,884 KTD (Bila KTD dalam K) KJ/Kg

- Hv = Hb + 0,45 KTD (Bila KTD dalam oF_ BTU/lb

- Hb = entalpi uap pada suhu air murni (tb)

- tF dengan xF gambar 5.7 didapat hF

- TI dengan xF gambar 5.7 didapat hL

ENTHALPY BALANCE : F hF + S λs = L hL + V.H

KAPASITAS PANAS : Q = S λs = UA (TS - TI)

KTD = T1 - tb

110

LUAS PERMUKAAN PERPINDAHAN PANAS

1). Bila satuan yang diketahui

S dalam Kg/Jam

U dalam W/m2 K

∆T dalam K

dalam KJ/Kg

2). Bila Satuan yang diketahui

S dalam lb/Jam

U dalam BTU/JFT2F A = ft 2

dalam oF

Dalam KJ/Kg

STEAM EKONOMI

E =

5.8 PERHITUNGAN MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR

Pada single Effect Evaporator, sebagian besar biaya evaporasi untuk biaya steam

pemanas; hal ini merupakan suatu pemborosan karena dengan steam pemanas

akan dihasilkan juga steam (V) yang tidak dipakai lagi.

111

Untuk menghindari pemborosan, uap yang dihasilkan dari sebuah evaporator

digunakan sebagai steam pemanas di evaporator kerja. Sistem ini disebut sebagai

sistem MULTIPLE.

Pada sistem ini:

- effect I dipanasi dengan steam dari Boiler.

- Effect II dipanasi Uap dari effect I

- Effect III dipanasi dengan Uap dari effect II, dst

Titik didih pada effect I harus lebih tinggi dari titik didih effect II, dst. Demikian

juga Tekanannya (P).

Tiap evaporator dalam multiple effect disebut effect. Nomer effect sesuai dengan

urutan steam masuk dengan angka romawi.

PEMASUKAN FEED

1. Forward Feed

Gambar 5.9 Sitim multi effect dengan pengumpanan ke depan

Dalam cara ini :

Larutan encer masuk pada effect I, setelah agak pekat diumpankan sebagai feed

pada effect II begitu seterusnya, sehingga larutan produk adalah yang keluar dari

effect ke – n.

Titik didih: T1 > T2 > Tn

112

P1 > P2 > Pn

Multiple effect dilengkapi dengan sistem penghamparan.

Pada sistem ini: steam Ekonomi cukup besar, karena makin banyak effect, makin

besar Steam Ekonominya.

Tetapi bila effect lebih besar, maka sistem ini akan mahal, harus diperhitungkan

biaya effect.

Forward feed digunakan untuk feed yang cukup panas dan produk akhir tidak

tahan panas tinggi.

2. Backward Feed:

Gambar 5.10 Sitim multi effect dengan pengumpanan dari belakang

Feed masuk cari effect terakhir.

Larutan masuk dari effect terakhir yang kurang panas, karena larutan yang lebih

pekat masuk dalam effect yang lebih panas sehingga akan mengurangi kekentalan,

sehingga penurunan harga U (over all coefficient) dapat diatasi. Sistem ini untuk

feed yang dingin dan produk yang kental.

Larutah berserak dari effect dengan tekanan (P) rendah ke tekanan tinggi sehingga

perlu pompa.

SISTEM PARALEL FEED:

113

Feed diumpankan pada setiap effect. Produk dikeluarkan pada setiap effect.

Digunakan untuk feed yang sudah cukup pekat. Diharapkan produk keluar segera

menjadi bentuk kristal, missal dalam pembuatan garam.

TEMPERATUR DROP

Umumnya dalam perhitungan evaporator sistem multiple dilakukan asumsi-

asumsi:

1. Jumlah panas yang diperlukan setiap evaporator dianggap sama.

2. Luas per inci perpindahan panas setiap evaporator dianggap sama.

Untuk Forward Feed:

q1 = U1.A1.∆t1

q2 = U2.A2. ∆t2

q3 = U3.A3. ∆t3

qn = Un.An. ∆tn

U1.A1. ∆t1 = U2.A2. ∆t2 = U3.A3. ∆t3 = Un.An. ∆tn…………………………5.8

Jika A sama maka : U1. ∆t1 = U2. ∆t2 = U3. ∆t3………………………………5.9

Jika KTD diabaikan, maka:

……………..5.10

Bila KTD diperhitungkan

……………………………………………….5.11

3. Besarnya temperature Drop pada setiap evaporator dapat ditaksir dengan:

114

…………………….5.12

………………………5.13

KAPASITAS MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR

Pemakaian multiple effect evaporator akan meningkatkan steam Ekonomi, tetapi

tidak berarti dengan effect banyak selalu lebih ekonomis karena dipengaruhi oleh

kapasitas evaporator.

Persamaan Kapasitas total:

q total = q1 + q2 +q3 + ……….+qn

= U1.A1. ∆t1 + U2.A2. ∆t2 + ……+ Un.An. ∆tn…………………………………5.14

Untuk yang tanpa KTD

Jumlah temperatur Drop yaitu : ……………………… 5.15

Maka : ……………………………….5.16

- Multiple effect tidak mempengaruhi kapasitas suatu system evaporator,

tetapi hanya pemakaian steam dan air dalam operasinya.

*) Pengaruh KTD Multiple Effect Evaporator:

Ts – Tn = ∆t

q = Uav.A

115

Bila diperhatikan pers.

Terlihat: Uap yang terjadi pada effect 1 dengan adanya KTD di anggap sebagai

superheat effect 1, tetapi ketika dipakai sebagai uap pemanas di effect II

diangggap sebagai uap jenuh dengan titik jenuhnya ketika berada di effect I.

Jadi selalu dianggap ada kehilangan Enthalpy ketika uap mengalir dari effect ke I

ke dalam effect yang lainnya yaitu sebesar Enthalpy Superheatnya.

Perhitungan Multiple Effect Evaporator:

Persamaan-persamaan yang dipakai:

1. Neraca panas setiap effect

2. Neraca massa setiap effect

3. Jumlah penguapan setiap effect

KTD selalu diperhitungkan

Langkah-langkah:

1. Tentukan titik didih dan Enthalpi larutan pada effect terakhir berdasarkan

tekanan ruang uap dan konsenstrasi akhir.

2. Tentukan jumlah penguapan seluruh system dengan overall material

balance, kemudian perkirakan pembagian tiap effect (umumnya dibagi

sama dalam tiap effect) pada trial dihitung konsentrasi larutan dalam

effect, asumsi TD pelarut dan cari KTD di tiap effect

3. Tentukan Total temperature Drop dengan rumus:

= Ts – Tn - ……………………………………………5.17

Distribusikan pada tiap effect dengan rumus:

116

4. Dengan Neraca panas tiap effect dan dengan neraca massa, hitung

kembali penguapan di tiap effect.

Jika harga penguapan sangat berbeda dari masing-masing effect dengan

yang diperkirakan dalam langkah 2, maka ulangi langkah 2 tersebut

dengan harga penguapan yang baru didapat.

5. Pergunakan rumus : q = U.A. (Ts – Tn) untuk tiap effect guna menentukan

harga A masing-masing

6. Bila ternyata harga A tiap effect tidak (hampir) sama, maka hitung

kembali temperatur Drop.

…………. dst

Contoh soal 1 dengan mengabaikan KTD

Suatu evaporator digunakan untuk memekatkan larutan dari konsentrasi

1% berat menjadi 1,5% berat zat terlarut. Kecepatan umpan masuk ke dalam

evaporator 10.000 lb/h pada suhu 100 oF. Steam masuk evaporator pada suhu 227 oF dan tekanan 5 psig. Jika evaporator bekerja dengan tekanan 1 atm dalam

ruangan uap dan harga U diketahui 250 Btu/ft2.hoF, hitunglah:

a. Berat uap yang dihasilkan tiap jam

b.Laju steam masuk evaporator

117

c. Luas permukaan perpindahan panas

Penyelesaian

dimana :

Asumsi:

Karena larutan sangat encer, maka titik didih larutan sama dengan titik didih air

murni dan entalpi larutan sama dengan pelarut murninya (air)

a. Neraca massa total : F = L + V

10.000 = L + V

V = 10.000 – L

Neraca massa bahan terlarut : F. xF = L.xL + V.y

(10.000)(0,01) = (L)(0,015) + (V)(0)

Jadi V = ( 10.000 – 6670)lb/h = 3.330 lb/h

h1

F= 10.000 lb/h

xF=0,1 tF=100 oF

S

Ps= 5 psig

Uap

V, H

kondensat

S, tc, hC

L, xL=0,015

T1

P1= 1 atm

118

b. Harga-harga entalpi dapat diperoleh dari steam table:

tF = 100 oF hF = 68 Btu/lb

tV = 212 oF H = 1150 BTU/lb

tL = 212 oF hL = 180 Btu /lb

ts = 227 oF Hs= 1156 Btu/lb

tc = 227 oF hc = 195 Btu/lb

Neraca panas atau neraca entalpi,

Panas umpan + panas steam = panas uap + panas produk + panas kondensat

F . hF + S . HS = V . H + L . hL + S . hC

c. Luas permukaan perpindahan panas,

S(Hs – hc) = U. A. ΔT

Contoh soal 2 dengan memperhitungkan KTD

Sebuah Evaporator SINGLE EFFEK digunakan untuk memekatkan larutan

NaOH dari 20 % menjadi 50 % berat solid dan kecepatan 20.000 lb/jam.

Tekanan steam yang dipakai 20 Psig, sedangkan tekanan pada ruang uap 100

mmHg absolute (1,93 lb/in3). Over all heat transfer coeffisien = 250 Btu/ft2.h.oF

Tentukan - jumlah steam yang dipakai

- Steam ekonomi

- Luas bidang pemanas pada temperatur feed 100oF

119

Penyelesaian

Neraca massa total

F = L + V

Neraca massa solute

F x F = L x L + V HV HV = 0

L = = 8000 lb/jam

V = F – L

= 20.000 – 8.000 = 12.000 lb/jam

Titik didih air murni (tb) pada 100 mmHg (1,93 lb/m3) = (124 oF)

L, xL=0,5h1

F= 20.000 lb/h

xF=0,2 tF=100 oF

S

Ps= 20 psig

Uap

V, H

kondensat

S, tc, hC

T1

P1= 100

mmHg

120

Pada tb 124 oF dan xL= 0,5 diperoleh titik didih larutan 197 oF ( T1 ) (lihat gambar

5.6)

KTD = T1 - tb

= 197 – 124 = 73 oF

Entalpi umpan dan larutan pekat dapat diproleh dari gambar 5.7. xF = 0,2 dan tF =

100 o F hf = 55 BTU / lb

Larutan pekat 50% solid atau xL = 0,5 dan T1 =197 o F hL = 220 Btu/lb

Uap yang meninggalkan Evaporator adalah super heat

PD. 197 o F > 1.93 lb/in3

Enthalpi uap dapa t dicari daris steam table (super heated )

H (197 o F) = Hb uap sat (Td. Air 124 oF) + Cp (KTD)

= Hb uap sat (124 oF) + 0,46 x KTD

Entalpi uap air jenuh pada 124 oF , Hb= 115,38 BTU/lb (steam table)

Pd 197 oF H = 115,38 + 0,46 (197 – 124)

= 1149 Btu/lb

Pada PS=20 Psig = 20 +14,7 = 34,7 Psia. Dari steam tabel

Didapat : ts = 259 oF (dgn interpolasi) APP 8 Mc Cabe

: λs = 939

q = Sλs = (F – L) H – Fhf + L hL V = F - L

= (20000 – 8000) 1149 – (20000) 55 + (8000) 220

q = 14.448.000 BTU/lb

q = λs.S 14.448.000 = S (939)

S = 15386,58 lb/jam

121

Luas Bidang Pemanas

14.448.000 = 250 A (259 – 197)

A= 932 ft2

E =

Latihan

1. Sebuah evaporator efek tunggal digunakan untuk memekatkan 20.000 lb/h

larutan natrium hidroksida 20% menjadi larutan pekat 50%. Tekanan

pengukur (gauge pressure) dari uap 20 lb/in2, tekanan absolute ruang uap

cairan 100 mmHg dan koefisien perpindahan panas keseluruhan 250

Btu/ft2.h.oF, dan umpan masuk pada suhu 100 oF.

Hitunglah :

a). Banyaknya uap yang terpakai (lb/h)

b). Luas permukaan pemanasan (ft2)

2. Sebuah evaporator digunakan untuk memekatkan larutan organik 20%

menjadi 65%. Kenaikan titik didih larutan dapat diabaikan. Panas jenis

umpan 0,93 dan air yang harus diuapkan sebanyak 20.000 kg/jam. Uap jenuh

q = UA T

122

pada 0,7 atm (absolut) dan tekanan di dalam kondensor 100 mmHg (absolut).

Uap masuk pada suhu 60 oF, koefisien perpindahan panas keseluruhan 1.700

W/m2.oC

Hitunglah :

a). Besarnya luas permukaan pemanasan yang diperlukan (m2)

b). Jumlah konsumsi uap dalam kg/jam

3. 2,5 kg/s larutan 50% NaOH pada suhu 90 oC dipekatkan menjadi larutan

70% pada suatu evaporator yang bekerja dengan tekanan 0,108 kg/cm2.

Sebagai pemanas digunakan uap air jenuh pada tekanan mutlak 6 kg/cm2.

Jika besrnya koefisien perpindahan panas keseluruhan 4000 W/m2.oC,

tentukan :

a). Luas permukaan pemanasan yang diperlukan

b). Laju penguapan

4. 1,25 kg/s larutan 20% NaOH pada suhu 35 oC akan dipekatkan menjadi

larutan 50% di dalam suatu evaporator yang menggunakan uap air pada

tekanan mutlak 1,32 kg/cm2. Sedang evaporator tersebut bekerja pada

tekanan mutlak 0,114 kg/cm2 dan pengaruh panas karena radiasi diabaikan.

Diketahui kondensat uap air keluar pada suhu uap air dan besarnya koefisien

perpindahan panas keseluruhan 2300 W/m2.oC

Hitunglah :

a). Jumlah uap air yang diperlukan

b). Luas permukaan perpindahan panas

123