simulasi proses evaporasi nira dalam falling film ... · laboratorium perpindahan massa dan panas....

LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS

JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS

SIMULASI PROSES EVAPORASI NIRA DALAM

FALLING FILM EVAPORATOR DENGAN ADANYA

ALIRAN UDARA

Oleh :

Ratih Triwulandari 2308 100 509

Riswanti Zawawi 2308 100 538

Pembimbing :

Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT

Dr. Ir. Susianto, DEA



LATAR BELAKANG

Evaporator adalah alat yang digunakan industri

kimia untuk memekatkan suatu larutan.

Penggunaan evaporator dapat meningkatkan

efisiensi energi untuk operasi suatu pabrik

dengan cara menggantikan tekanan vakum pada

evaporator dengan menggunakan aliran gas inert.

Penelitian ini menggunakan falling film evaporator

karena memiliki waktu tinggal yang pendek,

mempunyai koefisien transfer panas yang baik,

dan membutuhkan ruang instalasi yang kecil.



KELEBIHAN FALLING FILM EVAPORATOR

Aplikasi waktu tinggalnya singkat dan digunakan

untuk fluida sensitif terhadap panas

Hanya dibutuhkan ruang yang kecil untuk

penempatannya

Digunakan untuk cairan dengan kandungan

padatan rendah

Koefisien perpindahan panas tinggi



PENELITIAN TERDAHULU G.D. Saravacos et al, (1970) mengadakan penelitian tentang prinsip kinerja

falling film evaporator menggunakan macam-macam sistem larutan.

M.Y. Lonkar S.K. Bhojaraj et al, (1991) mengadakan penelitian tentang

penyusunan aplikasi falling film evaporator pada industri gula di India dengan

mempertimbangkan aplikasi yang efektif dari kriteria perpindahan panas dan

distribusi masukan.

Palen, et al, (1994) mengadakan penelitian hubungan antara perpindahan

panas dan perpindahan massa, untuk campuran biner ethylen glikol dan

propilen glikol, pada tekanan atmosfer. Penelitian ini menggunakan distribusi

film tipe plug flow melalui celah.

Budhikarjono, et al (2006) mengadakan penelitian tentang perpindahan panas

dan massa penguapan falling film campuran uap-gas methanol-air arah

berlawanan. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa meningkatnya laju alir

udara, perpindahan panasnya juga akan meningkat meskipun tidak signifikan.

Tanjung, et al. (2009) mengadakan penelitian tentang analisa secara teoritis

fenomena perpindahan panas dan massa pada falling film evaporator dengan

sistem black liquor-udara dan menentukan model matematis dan penyelesaian

numerik untuk memprediksikan kinerja falling film evaporator.



RUMUSAN MASALAH

Mencari acuan dalam perhitungan secara teoritis tentang

falling film evaporator dengan sistem nira-udara, dengan

meninjau pengaruh beberapa variabel berikut :

1.Laju alir larutan

2.Laju alir udara

3.Konsentrasi awal nira



TUJUAN PENELITIAN

Melakukan analisa secara teoritis tentang fenomena

perpindahan panas dan massa pada falling film

evaporator dengan sistem nira-udara.

Menentukan model matematis dan penyelesaian

numerik untuk memprediksikan kinerja falling film

evaporator



SEKILAS tentang Nira

Pada penelitian ini digunakan sistem yaitu proses evaporasi nira

dalam falling film evaporator dengan adanya aliran udara.

Nira adalah hasil dari proses penggilingan tebu pada pabrik gula. Nira

merupakan larutan berwarna kuning kecoklatan.

Pada industri gula, nira mentah hasil pemurnian diturunkan kadar

airnya dengan cara penguapan hingga mencapai kekentalan yang

diharapkan. Penguapan menggunakan evaporator yang berfungsi

untuk menguapkan air sebanyak-banyaknya. Proses penguapan

dilakukan pada tekanan vakum untuk menghindari terjadinya inverse

karena pemanasan.



METODE-METODE YANG DAPAT DIGUNAKAN UNTUK

MENINGKATKAN LAJU PENGUAPAN FILM TIPIS (Hewit, et.al.,1993).

Menaikkan suhu permukaan yang dipanasi, Tw

Menurunkan tahanan panas film, misal dengan

menaikkan koefisien perpindahan panas, h

Menurunkan suhu permukaan cairan, Ts

- uap murni : menurunkan tekanan total

- campuran uap-gas : menurunkan tekanan parsial uap



FALLING FILM EVAPORATOR

Pada falling film evaporator, umpan mengalir ke bawah

sebagai lapisan film pada bagian tube yang dipanasi dengan

media pemanas (steam). Pemisahan uap dan cairan biasanya

pada bagian bawah. Film larutan yang terbentuk tergantung

pada gaya gravitasi, viskositas larutan serta kecepatan alir

larutan.

Panas dipindahkan secara konduksi dan konveksi. Falling film

evaporator menghasilkan film yang tipis dan mengalir cepat,

sehingga koefisien perpindahan panasnya lebih tinggi.



DIAGRAM ALIR LANGKAH-LANGKAH PENELITIAN

Mencari data sifat fisik dan sifat kimia

dari bahan

Menyusun program penyelesaian dari

masing-masing persamaan

differensial menggunakan metode

Runge-Kutta orde 4 dan finite

difference dengan menggunakan

software MATLAB

Melakukan interpretasi terhadap

model yang diperoleh.

Menyusun algoritma penyelesaian

persamaan differensial non linier

Mengembangkan model fenomena

perpindahan panas dan massa pada

proses penguapan dalam falling film

evaporator yang berupa sistem

persamaan differensial non linier.



VARIABEL PENELITIAN

INPUT• Laju alir larutan

• Laju alir udara

• Konsentrasi nira masuk

OUTPUT• Distribusi Tlarutan

• Distribusi Tgas

• Konsentrasi akhir produk

ASUMSI

Aliran laminar

Tebal film rata

Perpindahan panas konveksi pada arah axial

Properti-properti fisik dari fase larutan seperti densitas, kapasitas

panas dan konduktivitas panas tidak bergantung temperatur

Properti-properti fisik fase gas bergantung pada temperatur dan

mengasumsikan gas ideal



INPUT VARIABEL

• Laju alir larutan : 40 l/jam; 60 l/jam; 80 l/jam

• Laju alir udara : 1 m3/jam; 2 m3/jam; 3 m3/jam

• Konsentrasi awal nira masuk : 11 %; 12 %; 14 %



SISTEM PERSAMAAN YANG HARUS DISELESAIKAN

r

rrL

Lr

Tk

r

z

R

z

R1

zzLLL TcpVz

rrr

L

Lr

Tk

zzzLpL TcVzL




PERSAMAAN NERACA MOMENTUM

0)()(

grdr

rdGL

rz

……………(2.1)

PERSAMAAN NERACA PANAS FILM LIQUID

r

Tr

rr

k

z

TcV LL

PLz L ……(2.2)




PERSAMAAN NERACA PANAS PADA FASE GAS

PERSAMAAN NERACA MASSA TOTAL

0

GG

GGpG TTsh

z

Tvc

G ……(2.3)

……(2.4))( AGAS YYDkyz

F

PERSAMAAN NERACA MASSA UAP AIR DALAM UDARA

)( AGASAG YYDkyz

y

……(2.5)



Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Temperatur

364

368

372

376

380

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008

Tem

pera

tur

La

ru

tan

(K

)

Posisi Radial, r ' (m)

Q larutan = 40 l/jam



Gambar 4.1 Hubungan antara temperatur larutan (K) dengan posisi radial,r(m) dengan laju alir gas 2 m3/jam, dan konsentrasi awal nira 11 %.



364

368

372

376

0 0.5 1 1.5 2

Tem

pera

tur

La

ru

tan

(K

)

Posisi Axial, z (m)





Gambar 4.2 Hubungan antara temperatur larutan (K) dengan posisi axial,z

(m) pada bagian interface dengan laju alir gas 1 m3/jam, dan konsentrasi

awal Nira 12 %.



364

368

372

376

380

384

0 0.5 1 1.5 2

Tem

pera

tur

La

ru

tan

(K

)

Posisi Axial, z (m)






(m) pada bagian dinding kolom dengan laju alir gas 1 m3/jam, dan

konsentrasi awal nira 12 %.



372

374

376

378

380

382

0 0.5 1 1.5 2

Tem

pera

tur

La

ru

tan

(K

)

Posisi Axial, z (m)

Nira = 11 %

Nira = 12 %

Nira = 14 %



(m) pada bagian dinding kolom, dengan laju larutan 40 l/jam dan laju alir gas 1 m3/jam.



362

364

366

368

370

0 0.5 1 1.5 2

Tem

per

atu

r G

as

(K)

Posisi Axial, z (m)

Q gas = 1 m3/jam

Q gas = 2 m3/jam

Q gas = 3 m3/jam

Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Distribusi Temperatur

Gambar 4.5 Hubungan antara temperatur gas (K) dengan posisi axial,z (m) dengan laju alir larutan 40 l/jam, dan konsentrasi awal nira 12 %.



12

12.2

12.4

12.6

12.8

13

0 0.5 1 1.5 2

Kon

sen

trasi

Nir

a (

%)

Posisi Axial, z (m)




Pengaruh Konsentrasi Larutan Keluar Terhadap Distribusi Temperatur larutan dan Temperatur Gas

Gambar 4.6 Hubungan antara konsentrasi nira dan posisi axial,z (m) padalaju alir gas1 m3/jam dan konsentrasi awal nira 12 %.



12

12.2

12.4

12.6

12.8

13

0 0.5 1 1.5 2

Kon

sen

trasi

Nir

a (

%)

Posisi Axial, z (m)

Q gas = 1 m3/jam

Q gas = 2 m3/jam

Q gas = 3 m3/jam

Pengaruh Konsentrasi Larutan Keluar Terhadap Distribusi Temperatur larutan dan Temperatur Gas

Gambar 4.7 Hubungan antara konsentrasi nira dan posisi axial,z (m) padalaju alir larutan 40 l/jam dan konsentrasi awal nira 12 %.



Validasi Data Simulasi Dengan Eksperimen

Gambar 4.8 Hubungan antara konsentrasi akhir nira dengan laju alir gas

pada laju alir larutan 80 l/jam dan konsentrasi awal nira 12 %.

10

11

12

13

14

15

0 1 2 3

Ko

nse

ntr

asi

Ak

hir

Nir

a (

%)

Laju Alir Gas (m3/jam)

simulasi

eksperimen



Dari penelitian yang telah dilakukan diperoleh hasil sebagai berikut :

Kesimpulan

1. Penelitian ini menghasilkan suatu program komputer dalam MATLAB

yang dapat memprediksi distribusi temperatur liquida (TL), distribusi

temperatur gas (TG) dan distribusi konsentrasi (%) pada proses evaporasi

larutan nira dalam falling film evaporator. Program komputer ini juga dapat

memprediksi konsentrasi nira dalam aliran keluar evaporator untuk

berbagai kondisi operasi.

2. Pada hasil penelitian konsentrasi nira keluar tertinggi pada tiap-tiap

konsentrasi masuk adalah ketika laju alir larutan 40 l/jam dan laju alir gas 3

m3/jam diperoleh 11.561 % pada konsentrasi masuk 11 %; 12.605 % pada

konsentrasi masuk 12 %; dan 14.698 % pada konsentrasi masuk 14 %.

3. Laju alir udara memberikan pengaruh yang cukup signifikan terhadap

konsentrasi produk. Dengan kenaikan laju alir udara dari 1 m3/jam sampai

dengan 3 m3/jam dapat menaikkan konsentrasi larutan keluar dari 0,3%

sampai 0,7%.

4. Hasil prediksi simulasi cukup dekat dengan data eksperimen dengan

kesalahan rata-rata 13.009 %.



Saran

1. Melakukan penelitian secara simulasi dengan aliran turbulen.

2. Melakukan simulasi falling film evaporator untuk fluida non-Newtonian.



SEKIAN

TERIMA KASIH



Hasil Analisa Nira Dari PG.Gempol Krep



Aliran Udara Counter Current

3 4

18

7

27

1

2

5

6

8

9

10

11

12

13

14

15

17

20

21

23

24

26

28

29 30

31

32

33

34

35

25

22

Udara

19

16

Air

Pendingin

1 : Evaporator

2 : tangki konsentrat

3 : tangki produk

4 : tangki kondensat

5 : tangki umpan

6 : tangki overflow

7 : kondensor

8-13 : pengukur suhu dinding

14 : pengukur suhu umpan

15 : pengukur suhu campuran uap–udara keluar

16 : pengukur suhu udara masuk

17 : pengukur suhu produk

18 : rotameter umpan

19 : rotameter udara

20 : alat pemanas tangki umpan

21 : alat pemanas evaporator

22 : alat pemanas udara

23 : pompa umpan

24 : sight glass

25 : kompresor

26 : distributor

27 : penunjuk level

28 : pengukur tekanan

29 : pipa pengambilan contoh produk

30 : by pass

31-35 : valve

simulasi proses evaporasi nira dalam falling film ... · laboratorium perpindahan massa dan panas....

Documents