perhitungan neraca massa dan neraca panas
TRANSCRIPT
PERHITUNGAN NERACA MASSA DAN NERACA PANAS
PADA UNIT PENGUAPAN PT. GUNUNG MADU PLANTATIONS
Diketahui:
Brix clear juice (Xf) : 12,42 % = 0,1242
Brix syrup (X5) : 50,62 % = 0,5062
Steam pada tekanan : 1,9 kg/cm2 = 186,32 kPa
Tekanan uap pada efek V : 0,26 kg/cm2 = 25,49 kPa
Laju Umpan (F) : 550.000 kg/jam
Perhitungan neraca massa dan neraca panas unit penguapan:
Perhitungan neraca massa dan neraca panas ini didasarkan pada diagram alir bahan di
unit evaporasi PT. Gunung Madu Plantations (GMP) seperti terlihat pada Gambar 1, di
mana terdapat 9 unit evaporator yang dioperasikan dan disusun secara seri membentuk
sistem quintuple effect evaporator.
Pada perhitungan, evaporator IA, IB, dan IC dianggap sebagai satu efek, begitu pula
dengan evaporator IIA dan IIB juga dianggap sebagai satu efek. Langkah-langkah
perhitungannya adalah sebagai berikut:
A. Neraca massa
Diketahui Clear juice masuk evaporator dari unit klarifikasi adalah 550.000 Kg/jam
dengan brix Clear juice 12,46 %. Syrup yang dihasilkan mempunyai brix sebesar 50,62
%.
A. Langkah 1
Untuk tekanan uap pada efek V sebesar 25,49 kPa dapat diperoleh suhunya dari steam
table yaitu sebesar 65,37 oC.
Digunakan persamaan boiling point rise (BPR) untuk efek V dengan B = 50,62 %
BPR =
2B100-B ……………........(1)
=
2 x 50 ,62100 − 50 ,62 = 2,05 oC
Maka, T5 = 65,37 oC + 2,05 oC
= 67,42 oC
B. Langkah 2
Membuat neraca overall dan neraca padatan untuk menghitung jumlah yang teruapkan
(V1 + V2 + V3 + V4 + V5) dan jumlah syrup yang dihasilkan (L5)
F = L1 + V1 ……………........(2)
Total uap
Steam Quintuple Effect Evaporator
SyrupBrix = 50,62%Clear juice
Brix = 12,46%Kondensat
L1 = L2 + V2 ............................(3)
L2 = L3 + V3 ............................(4)
L3 = L4 + V4 ............................(5)
L4 = L5 + V5 ............................(6)
Dari pensubstitusian persamaan-persamaan (persamaan 2-6) di atas, didapat hubungan
berikut:
F = L5 + (V1 + V2 + V3 + V4 + V5)
550.000 = L5 + (V1 + V2 + V3 + V4 + V5)
550.000 = L5 + V ............................(7)
F x Xf = L5 x X5 .……………........(8)
550.000 (0,1242) = L5 (0,5062)
L5 = 134.946,66 kg/jam
Nilai L5 disubstitusi ke persamaan (7):
550.000 = L5 + V
550.000 = 134.946,66 + V
V = 415.053,34 kg/jam
Pertama-tama diasumsikan jumlah yang teruapkan pada tiap efek adalah sama,
sehingga:
V1 = V2 = V3 = V4 = V5 = (V/5) = (415.053,34/5) = 83.010,67 kg/jam
Neraca massa total pada tiap efek:
Persamaan yang digunakan:
F = Ln + Vn ……………........(9)
1. Pada Evaporator 1
Evaporator 1 A
F = L1 + V1
L1 = F – V1
= 550.000 – 83.010,67
= 466.989,33 kg/jam
Evaporator 1 B
F = L1 + V1
L1 = F – V1
= 550.000 – 83.010,67
= 466.989,33 kg/jam
Evaporator 1 C
F = L1 + V1
L1 = F – V1
= 550.000 – 83.010,67
= 466.989,33 kg/jam
Ltotal : Evaporator 1A + Evaporator 1B + Evaporator 1C
: 466.989,33 + 466.999,33 + 466.989,33 kg/jam
: 1.400.967,99 kg/jam
L1 Total yang masuk ke Evaporator 2
L1 Total : 1.400.967,99 kg/jam : 2 Evaporator ( Evap 2A+ Evap 2B)
: 700.483,99 kg/jam
2. Pada Evaporator 2
Evaporator 2 A
L1 = L2 + V2
L2 = L1 – V2
= 700.483,99 – 83.010,67
= 617.473,325 kg/jam
Evaporator 2 B
L1 = L2 + V2
L2 = L1 – V2
= 700.483,99 – 83.010,67
= 617.473,325 kg/jam
L2 Total : Evaporator 2A + Evaporator 2B
: 617.473,325 kg/jam + 617.473,325 kg/jam
: 1.234.946,65 kg/jam
L2 masuk ke L3 : 1.234.946,65 kg/jam : 2 Evaporator ( Evap 3A+3B)
: 617.473,325 kg/jam
3. Pada Evaporator 3
Evaporator 3A
L2 = L3 + V3
L3 = L2 – V3
= 617.473,325 – 83.010,67
= 543.462,65 kg/jam
Evaporator 3B
L2 = L3 + V3
L3 = L2 – V3
= 617.473,325 – 83.010,67
= 543.462,65 kg/jam
L3 Total : Evaporator 3A + Evaporator 3B
: 543.462,65 kg/jam + 543.462,65 kg/jam
: 1.068.925,31 kg/jam
L3 Total masuk ke L4 : 534.462,65 kg/jam
4. Pada Evaporator 4
L3 = L4 + V4
L4 = L3 – V4
= 543.462,65 kg/jam – 83.010,67
= 451.451,98 kg/jam
5. Pada Evaporator 5
L4 = L5 + V5
L5 = L4 – V5
= 451.451,98 kg/jam – 83.010,67
= 368.441,31 kg/jam
Neraca padatan pada tiap efek:
Persamaan yang digunakan:
F x Xf = Ln x Xn ...………….......(10)
1. Pada Evaporator 1
Evaporator 1A
F x Xf = L1 x X1
550.000 (0,1242) = 466.989,33 (X1)
X1 = 0,1463
Evaporator 1B
F x Xf = L1 x X1
550.000 (0,1242) = 466.989,33 (X1)
X1 = 0,1463
Evaporator 1C
F x Xf = L1 x X1
550.000 (0,1242) = 466.989,33 (X1)
X1 = 0,1463
2. Pada Evaporator 2
Evaporator 2A
L1 x X1 = L2 x X2
700.483,99 (0,1463) = 617.473,32 (X2)
X2 = 0,165
Evaporator 2B
L1 x X1 = L2 x X2
700.483,99 (0,1463) = 617.473,32 (X2)
X2 = 0,165
3. Pada Evaporator 3
Evaporator 3A
L2 x X2 = L3 x X3
617.473,32 (0,165) = 534.462,65 (X3)
X3 = 0,191
Evaporator 3B
L2 x X2 = L3 x X3
617.473,32 (0,165) = 534.462,65 (X3)
X3 = 0,191
4. L3 x X3 = L4 x X4
534.462,65 (0,191) = 451.451,98 (X4)
X4 = 0,226
5. L4 x X4 = L5 x X5
451.451,98 (0,103) = 368.441,31 (X5)
X5 = 0,277
C. Langkah 3
Menghitung Boiling point rise (BPR) di tiap efek:
1. BPR Pada Evaporator 1
Evaporator 1 A
BPR =
2B100-B =
2(14,63 )100-14,63 = 0,343 oC
Evaporator 1B
BPR =
2B100-B =
2(14,63 )100-14,63 = 0,343 oC
Evaporator 1C
BPR =
2B100-B =
2(14,63 )100-14,63 = 0,343 oC
Karena pada evaporator 1A, 1B, 1C kondisinya sama, Maka BPR pada Evaporator 1
BPR1 = 0,343 oC
2. BPR Pada Evaporator 2
Evaporator 2 A
BPR =
2B100-B =
2(16,5 )100-16,5 = 0,395 oC
Evaporator 2 B
BPR2 =
2B100-B =
2(16,5 )100-16,5 = 0,395 oC
Karena pada evaporator 2A, 2B kondisinya sama, Maka BPR pada Evaporator 2
BPR2 = 0,395 oC
3. BPR Pada Evaporator 3
Evaporator 3 A
BPR =
2B100-B =
2(19,1 )100-19,1 = 0,472 oC
Evaporator 3 B
BPR =
2B100-B =
2(19,1 )100-19,1 = 0,472 oC
Karena pada evaporator 3A, 3B kondisinya sama, Maka BPR pada Evaporator 3
BPR3 = 0,472 oC
4. BPR Pada Evaporator 4
BPR4 =
2B100-B =
2(22,6 )100-22,6 = 0,584 oC
5. BPR Pada Evaporator 5
BPR5 =
2B100-B =
2(27,7 )100-27,7 = 0,766 oC
Σ ΔT available = Ts1 – T5 – Σ BPR ……………......(11)
= 118,01 – 65,37 – (0,343 + 0,395 + 0,472 + 0,584 + 0,766)
= 50,08 oC
Menghitung nilai koefisien transfer panas overall (U):
1. Menghitung nilai koefisien transfer panas sisi juice (hj)
hj = 0,465 Tj/ Bj ……………......(12)
Dari perhiungan diperoleh nilai hj sebagai berikut:
hj1 = 3410; hj2 = 2691; hj3 = 1986; hj4 = 1206; hj5 = 625 W/m2 oC
2. Menghitung nilai densitas, konduktivitas panas juice
Nilai densitas juice dihitung dengan rumus:
ρ=0 ,524484 exp[ (C+330 ,872 )2
170 .435 ] ……………......(13)
Dari perhitungan diperoleh nilai densitas sebagai berikut:
ρ1 = 1057; ρ2 = 1070; ρ3 = 1092; ρ4 = 1133; ρ5= 1232 kg/m3
Nilai konduktivitas panas juice dihitung dengan rumus:
k = (326,8 + 1,0412 T – 0,00337T2) (0,44+0,554Xw) x 1,73 x 10-3
……………......(14)
Dari perhitungan, diperoleh nilai konduktivitas panas juice adalah sebagai berikut:
k1 = 0,622; k2 = 0,607; k3 = 0.584; k4= 0,545; k5= 0,466 J/s.m.oC
3. Menghitung bilangan reynold
Bilangan reynold dihitung dengan rumus:
NRe =
4 x mπ x D x μl ……………......(15)
Dari perhitungan diperoleh nilai bilangan reynold adalah sebagai berikut:
NRe1 = 2.402.504,72; NRe2 = 2.040.222,26; NRe3 = 1.567.487,83; NRe4 = 946.262,59;
NRe5 = 224.317,63
4. Menghitung nilai koefisien transfer panas sisi steam
NNu =
h x Lk l
=0 , 0077 ( g x ρl2 x L3
μl2
)1/3
(N Re )0,4
……………......(16)
Dari perhitungan diperoleh nilai koefisien transfer panas sisi steam adalah sebagai
berikut:
hs1 = 77990,72; hs2 = 64045,37; hs3 = 46687,22; hs4 = 25449,74; hs5 = 4664,67 W/m2
oC
5. Menghitung nilai koefisien transfer panas overall (U)
1U
= 1hw
+ea
k p
+ 1hc ……………......(17)
Dari perhitungan diperoleh nilai koefisien transfer panas overall adalah sebagai
berikut:
U1 = 3.218; U2 = 2.557; U3 = 1.891; U4 = 1.223; U5 = 550 W/m2 oC
Menghitung nilai ΔT di tiap efek:
ΔT1 = Σ ΔT
1/U1
1/U1+1/U2+1 /U 3+1/U 4+1/U5 ……………......(18)
= 50,08
1/32181/3218+1/2557+1/1891+1/1223+1/550
= 3,88 oC
Hal yang sama dilakukan untuk ΔT2 sampai ΔT5, dan diperoleh:
ΔT1 = 3,88 oC; ΔT2 = 4,89 oC; ΔT3 = 6,61 oC; ΔT4 = 10,22 oC; ΔT5 = 22,72 oC
Menghitung titik didih aktual larutan di tiap efek:
1. T1 = Ts1 – ΔT1 ……………......(19)
= 118,01 – 3,88
= 114,13 oC
Ts1 = 118,01 oC
2. T2 = T1 – BPR1 – ΔT2 ……………......(20)
= 114,13 – 0,343 – 4,89
= 108,89 oC
Ts2 = T1 – BPR1 ……………......(21)
= 114,13 – 0,343
= 113,79 oC
3. T3 = T2 – BPR2 – ΔT3 ……………......(22)
= 108,89 – 0,433 – 6,61
= 101,85 oC
Ts3 = T2 – BPR2 ……………......(23)
= 108,89 – 0,433
= 108,46 oC
4. T4 = T3 – BPR3 – ΔT4 ……………......(24)
= 101,85 – 0,587 – 10,22
= 91,04 oC
Ts4 = T3 – BPR3 ……………......(25)
= 101,85 – 0,587
= 101,26 oC
5. T5 = T4 – BPR4 – ΔT5 ……………......(26)
= 91,04 – 0,913 – 22,72
= 67,41 oC
Ts5 = T4 – BPR4 ……………......(27)
= 91,04 – 0,913
= 90,13 oC
Ts6 = 65,37 oC
D. Langkah 4
Menghitung kapasitas panas cairan di tiap efek:
Persamaan yang digunakan:
Cp = 1 - 0,006 x B ……………......(28)
F : Cp = 1 - 0,006 x B = 1 – 0,006(12,42) = 0,925 kcal/kgoC = 3,870 kJ/kgoC
L1: Cp = 1 - 0,006 x B = 1 – 0,006(14,63) = 0,912 kcal/kgoC = 3,817 kJ/kgoC
L2: Cp = 1 - 0,006 x B = 1 – 0,006(17,79) = 0,893 kcal/kgoC = 3,737 kJ/kgoC
L3: Cp = 1 - 0,006 x B = 1 – 0,006(22,70) = 0,864 kcal/kgoC = 3,614 kJ/kgoC
L4: Cp = 1 - 0,006 x B = 1 – 0,006(31,34) = 0,812 kcal/kgoC = 3,397 kJ/kgoC
L5: Cp = 1 - 0,006 x B = 1 – 0,006(50,62) = 0,696 kcal/kgoC = 2,914 kJ/kgoC
Menghitung nilai-nilai entalpi aliran uap di tiap efek:
Persamaan yang digunakan:
Hn = Hsn+1 + 1,884 BPRn ……………......(29)
1. Efek 1
H1 = Hs2 + 1,884 BPR1
= 2696,89 + 1,884 (0,343)
= 2697,54 kJ/kg
λs1 = 2207,87 kJ/kg
2. Efek 2
H2 = Hs3 + 1,884 BPR2
= 2688,99 + 1,884 (0,433)
= 2689,81 kJ/g
λs2 = 2219,58 kJ/kg
3. Efek 3
H3 = Hs4 + 1,884 BPR3
= 2677,95 + 1,884 (0,587)
= 2679,06 kJ/kg
λs3 = 2234,16 kJ/kg
4. Efek 4
H4 = Hs5 + 1,884 BPR4
= 2660,31 + 1,884 (0,913)
= 2662,03 kJ/kg
λs4 = 2253,56 kJ/kg
5. Efek 5
H5 = Hs6 + 1,884 BPR5
= 2619,03 + 1,884 (2,05)
= 2622,89 kJ/kg
λs5 = 2282,86 kJ/kg
Hubungan aliran yang akan digunakan pada perhitungan neraca panas:
V1 = 550.000 – L1 V3 = L2 – L3 V5 = L4 -134.946,66
V2 = L1 – L2 V4 = L3 – L4 L5 = 134.946,66
Menghitung neraca panas pada tiap efek:
F x Cp x Tf + S x λs1 = L1 x Cp x T1 + V1 x H1
550.000(3,87)(110) + S (2207,87) =L1(3,817)(114,13)+(550.000–L1)(2697,54)
234.135.000 + 2207,87 S = 435,63 L1 + 1.483.647.000 – 2697,54 L1
2261,91 L1 + 2207,87 S = 1.249.512.000 ………..............(30)
L1 x Cp x T1 + 0,389 (V1 x λs2) = L2 x Cp x T2 + V2 x H2
L1(3,817)( 114,13)+0,389(550.000–L1)(2219,58) =L2(3,737)(108,89)+(L1-L2)(2689,81)
435,63 L1 + 474.879.141 – 863,42 L1 = 406,92 L2 + 2689,81 L1 - 2689,81 L2
3117,6 L1 - 2282,89 L2 = 474.879.141 …...…………...(31)
L2 x Cp x T2 + 0,471 (V2 x λs3) = L3 x Cp x T3 + V3 x H3
L2(3,737)(108,89) + 0,471 (L1-L2) (2234,16) = L3(3,614)(101,85) + (L2-L3) (2679,06)
406,92 L2 + 1052,29 L1 – 1052,29 L2 = 368,09 L3 + 2679,06 L2 - 2679,06 L3
1052,29 L1 - 3324,43 L2 + 2310,97 L3 = 0 …...…………...(32)
L3 x Cp x T3 + V3 x λs4 = L4 x Cp x T4 + V4 x H4
L3(3,614)(101,85) + (L2-L3) (2253,56) = L4(3,397)(91,04) + (L3-L4) (2662,03)
368,09 L3 + 2253,56 L2 - 2253,56 L3 = 309,26 L4 + 2662,03 L3 - 2662,03L4
2253,56 L2 - 4547,5 L3 + 2352,77 L4 = 0 ……...………...(33)
L4 x Cp x T4 + 0,554 (V4 x λs5) = L5 x Cp x T5 + V5 x H5
L4(3,397)(91,04)+0,554(L3-L4)(2282,86)=134.946,66(2,914)(67,41)+(L4-134.946,66)
(2622,89)
309,26 L4 + 1264,70 L3 - 1264,70 L4 = 26,507.942,18 + 2622,89 L4 -
353.950.245
1264,70 L3 - 3578,33 L4 = - 327.442.302,8 ……...………...(34)
Neraca Panas
1. Evaporator 1
Liquid/clear juice (input)
Q = m x Cpf x ∆Tf
= 550.000 kg/jam x 3,870 x kJ/kgoC x 3,88 oC
= 8.258.580 kj/jam
Vapor (input)
Q = m x ƛ2
= 224.626,90 kg/jam x 2703 Kj/Jam
= 495.946.993,7
Liquid/clear juice (output) Q = L1 x Cp1 x T2
= 139.077.603,5
Vapor (output)Q = 0,85 x V1 x ƛ2
= 0,85 x 215383,74 x 2207,87= 404.208.403,3
Vapor ke HeaterQ = 0,15 x V1 x ƛ2
= 0,15 x 215383,74 x 2207,87= 71.330.894,7
2. Evaporator 2
Liquid/clear juice (input)
Q = L1 x Cp1 x T2
= 139.077.603,5
Vapor (input)
Q = V2x ƛ2
= 215383,74 x 2207,87= 478.061.441,6
Liquid/clear juice (output) Q = L2 x Cp2 x T3
= 95.069.597,04
Vapor (output)Q = 0,85 x V2 x ƛ3
= 0,85 x 84208,64 x 2219,58= 158.871.641
Vapor ke HeaterQ = 0,15 x V2 x ƛ3
= 0,15 x 84208,64 x 2219,58= 28.036.172
3. Evaporator 3
Liquid/clear juice (input)Q = L2 x Cp2 x T3
= 95.069.597,04
Vapor (input)
Q = V3x ƛ3
= 41794,04 x 2234,16= 186.907.813,1
Liquid/clear juice (output) Q = L3 x Cp3 x T4
= 69.290.093,92
Vapor (output)Q = 0,85 x V3 x ƛ4
= 0,85 x 41794,04 x 2234,16= 79.368.386,5
Vapor ke HeaterQ = 0,15 x V3 x ƛ4
= 0,15 x 41794,04 x 2234,16= 14.006.185,9
4. Evaporator 4
Liquid/clear juice (input)Q = L3 x Cp3 x T4
= 69.290.093,92
Vapor (input)
Q = V4 x ƛ4
= 43605,59 x 2253,56= 93.375.572,4
Liquid/clear juice (output) Q = L4 x Cp4 x T5
= 37.656.225,88
Vapor (output)Q = 0,85 x V4 x ƛ5
= 0,85 x 43605,59 x 2253,56= 83527641,4
Vapor ke HeaterQ = 0,15 x V4 x ƛ5
= 0,15 x 43605,59 x 2253,56
= 14.740.172
5. Evaporator 5
Liquid/clear juice (input)Q = L4 x Cp4 x T5
= 37.656.225,88
Vapor (input)
Q = V5 x ƛ5
= 30061,33 x 2253,56= 99.157.803,5
Liquid/clear juice (output) Q = L5 x Cp5 x T6
= 37.656.225,88
Vapor (output)Q = 0,85 x V5 x ƛ6
= 0,85 x 30061,33 x 2282,86= 58.331.936,6
Vapor ke HeaterQ = 0,15 x V5 x ƛ6
= 0,15 x 30061,33 x 2282,86= 10.293.871,2
Dari perhitungan diperoleh:
L1 = 334.616,26 kg/jam V1 = 215.383,74 kg/jam
L2 = 250.407,62 kg/jam V2 = 84.208,64 kg/jam
L3 = 208.613,58 kg/jam V3 = 41.794,04 kg/jam
L4 = 165.007,99 kg/jam V4 = 43.605,59 kg/jam
L5 = 134.946,66 kg/jam V5 = 30.061,33 kg/jam
S = 224.626,90 kg/jam
E. Langkah 5
Menghitung steam economy
Steam economy =
V 1+V 2+V 3+V 4+V 5
S
=
215 . 383,74 +84 . 208,64 +41 .794,04 +43.605,59 +30 .061,33 215 . 383,74
= 1,8477