BAB VII. EVAPORATOR — DASAR PERANCANGAN ALAT Ukuran utama kinerja evaporator adalah kapasitas dan ekonomi. Kapasitas didefinisikan sebagai jumlah solvent yang mampu diuapkan per satuan luas per satuan Waktu. Sedangkan ekonomi didefinisikan sebagai massa solvent yang teruapkan per satuan massa steam yang digunakan. Pada sebuah evaporator tunggal (single effect), ekonomi selalu < 1.0, tetapi pada evaporator multi efek. (multiple effect evaporato,) nilainya bisa jauh lebih tinggi. Ukuran lain yang sering digunakan adalah konsumsi steam, dalam massa steam per satuan waktu. Dasar perhitungan evaporator adalah neraca massa (total dan solut) dan neraca panas pada alat. Neraca Massa dan Neraca Panas. a. Single Effect Evaporator
Universitas Gadjah Mada
Asumsi: steam yang digunakan adalah steam jenuh. Neraca entalpi sekitar evaporator memberikan: •
•
•
•
•
ms H s + m f H f = ms H c + (m f − m) H c + steam
kondensat
umpan
•
mH
(1)
laru tan keluar
uap. hasil
Penyusunan kembali persamaan (1) dengan memperhatikan bahwa : Hs – Hc =
(2)
s
diperoleh : •
•
•
•
•
qs = m s λs = (m f − m) H v − m f H f + m H
(3)
Perpindahan panas dari steam ke permukaan pemanas : •
qs = m s λs = U . A.∆T ≈ U . A.(Ts − T )
(4)
Dimana: A
= luas permukaan perpindahan panas (heating suiface).
U
= koefisien perpindahan panas overall.
∆T
= beda suhu antara steam dengan larutan dalam evaporator.
Koefisien perpindahan panas overall, U, sangat tergantung dari jenis evaporator. Tabel dibawah memberikan guideilne rentang nilai U untuk beberapa jenis evaporator.
Universitas Gadjah Mada
Catatan tambahan: Untuk larutan NaOH, tersedia diagram entalpi-komposisi dan titik-didih-Iarutan vs titikdidih-air-murni pada berbagai komposisi (disebut sebagai kurva Duhring), seperti dibawah ini (sumber: Brown, et Al., 1950).
Universitas Gadjah Mada
Contoh soal: Sebuah evaporator digunakan untuk memekatkan larutan NaOH sebanyak 20.000 lb/jam (9.070 kg/jam) dan konsentrasi 20% menjadi 50%. Sebagai pemanas, digunakan steam jenuh bertekanan 20 psg (1,37 atm-gauge). Evaporator beroperasi pada tekanan vakum dimana tekanan absolut pada ruang uap evaporator adalah 100 mmHg (1,93 psig). Koefisien perpindahan panas overall
250 Btu/ft2-jam-°F (1.400
W/m2-°C). Suhu larutan umpan 100°F (37,8°C). Hitunglah jumlah kebutuhan steam, ekonomi dan luas perpindahan panas yang dibutuhkan. Jawab: Jumlah air yang harus diuapkan dapat diperoleh dan neraca massa air. Jumlah solut (NaOH) bebas air = 0,20x20.000 lb/jam = 4.000 lb/jam. Jumlah air pada umpan = (80/20) = 4 lb-air/lb-solute (bebas air); pada larutan pekat keluar = (50/50) = 1 lb-air/lbsolute (bebas air). Jumlah air yang diuapkan = (4-1) = 3 lb-air/ Ib-solut, sehingga total jumlah air yang harus diuapkan, mv = (mf – m) = 3 lb-air/lb-solut x 4.000 lb-solut/jam = 12.000 lb-air/jam. Jumlah larutan pekat hasil evaporasi, m = 4.000 lb-solut/jam x 1 lb-Iarutan/0,5 Ib-solut = 8.000 Ib-larutan/jam. •
Konsumsi steam: Dari grafik Duhring-1, suhu didih larutan NaOH 50% pada tekanan 100 mmHg adalah, T = 197°F. Dan steam table, diperoleh suhu didih air (murni) pada tekanan 100 mmHg adalah, Tbp = 124°F. Kenaikan titik didih (boiling point rise = boiling point elevation), ∆Tbp = BPR = (197-124)°F = 73°F. Dari grafik Duhring-2, diperoleh: Entalpi spesifik umpan, kadar padatan NaOH 20%, suhu 100°F, Hf = 55 Btu/lb Entalpi spesifik larutan pekat, kadar padatan 50%, suhu 197°F, H = 221 Btu/lb Entalpi uap hasil evaporasi, pada 100 mmHg (1,93 psig) dan 197oF; dapat diperoleh dari steam table, Hv = 1149 Btu/lb. Panas laten penguapan pada 20 psig (1,37 atm-gauge), juga dapat dibaca pada steam table, λs =939 Btu/lb. Panas yang ditransfer (menggunakan persamaan 3),e qs = (mf-m)Hv – mf Hf + mH = (20.000-8.000) x 1149 - 20.000 x 55 + 8.000 x 221 = 14.456.000 Btu/jam.
Universitas Gadjah Mada
Jumlah steam yang dibutuhkan,
ms = •
qs
λs
=
14.456.000 = 15.400 lb/jam (6.990 kg/jam) 939
Ekonomi: Ekonomi dan evaporator = 12.000 lb-uap diproduksi/15.400 lb-steam = 0,78.
•
Luas perpindahan panas Dari persamaan (4): A =
qs 14.456.000 = = 930 ft2 (86,4 m2) U .(Ts − T ) 250 × (259 − 197 )
Kasus khusus: Untuk larutan dengan panas pengenceran yang dapat diabaikan, persamaan diatas dapat direformulasi kembali sebagai berikut:
dimana: Cpf
= panas spesifik larutan umpan
Cp
= panas spesifik larutan pekat dan evaporator (thick liquor)
Cpw
= panas spesifik air
Substitusi persamaan (5.a, b, c) ke persamaan (3) memberikan,
b. Triple Effect Evaporator Perhatikan gambar feed-forward triple effect evaporator dibawah.
Sumber: McCabe and Smith, 1985.
Universitas Gadjah Mada
Batasan (constraint) dalam perancangan multiple effect evaporator adalah bahwa ukuran masing-masing evaporator diusahakan sama, karena akan memberikan banyak kemudahan operasional dan biaya investasi akan lebih rendah (untuk dibahas di kelas: jelaskan mengapa bisa demikian!). Sehingga, dalam perancangan triple effect evaporator: A1
A2
A3.
Neraca panas evaporator-1: Panas disuplai oleh steam (suhu Ts, tekanan Ps, panas laten pengembunan λs). (7) Panas digunakan untuk menaikkan suhu umpan dan menguapkan sebagian pelarut: Luas transfer panas:
Neraca panas evaporator-2: Panas disuplal oleh uap hasil evaporator-1 (suhu T1, tekanan P1, panas laten pengembunan λv1).
Panas digunakan untuk menguapkan sebagian pelarut:
Luas transfer panas:
Neraca panas evaporator-3: Panas disuplai oleh uap hasil evaporator-2 (suhu T2, tekanan P2, panas laten pengembunan λv2).
Panas digunakan untuk menguapkan sebagian pelarut:
Luas transfer panas: Luas transfer panas, A1 A2 A3
A, maka:
Universitas Gadjah Mada
Untuk merancang triple effect evaporator, persamaan-persamaan (7) sampal (12), ditambah dengan persamaan-persamaan pendukung/data-data yang lain harus diselesaikan secara simultan, dengan constraint persamaan (13). Contoh soal: Sebuah triple effect evaporator dipakai untuk memekatkan suatu larutan. Kenaikan titik didih larutan terhadap perubahan konsentrasi tidak begitu besar, sehingga beban panas pada tiap evaporator dapat dianggap sama. Suhu steam yang digunakan pada efek pertama adalah 108,3°C, sedangkan titik didih larutan pada efek terakhir diketahui 51,7°C. Koeflsien transfer panas overall (dalam W/m2-°C) pada efek pertama, kedua dan ketiga masing-masing adalah 2800, 2200 dan 1100. Berapakah kira suhu didih larutan pada efek pertama dan kedua? Jawab: Beban panas pada masing-masing evaporator adalah:
Pada multiple efek evaporator: A1=A2=A3=A; dan khusus untuk kasus ini: q1=q2=q3=q. Sehingga persamaan diatas dapat ditulis dalam bentuk:
Penjumlahan dan persamaan-persamaan (15.a, b dan c), menghasilkan:
atau:
Substirusi persamaan (16) ke masing-masing persamaan (15.a, b dan c) memberikan:
Kembali ke soal diatas: ∆Ttotal = ( Tsteam - Tefek-terakhir) = (108,3 — 51,7)°C = 56,6°C.
Universitas Gadjah Mada
Dengan persamaan (17.a, b) diperoleh:
Titik didih larutan pada: •
Efek pertama, T1 = Ts - ∆T1 = (108,3 - 11,9)oC = 96,4°C.
•
Efek kedua,
T2 = T1 - ∆T2 = (96,4 - 14,9)oC = 81,5°C.
Universitas Gadjah Mada
