LAPORAN TUGAS AKHIR
PEMBUATAN EVAPORATOR TIPE BATCH UNTUK MEMEKATKAN LARUTAN ZAT WARNA UMPAN SPRAY DRYER
Disusun Oleh:
ARIF LUKMAN
I 8307001
MOCHAMAD SIDIQ
I 8307025
PROGRAM STUDI D3 TEKNIK KIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2010
i
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur kehadirat Alloh SWT. Yang telah melimpahkan rahmat dan anugerahNya sehingga penyusun dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini. Laporan ini merupakan salah satu syarat dalam menyelesaikan Program Studi Diploma Tiga Teknik Kimia Universitas Sebelas Maret Surakarta. iii Laporan Tugas Akhir ini disusun berdasarkan data-data yang diambil sebagai hasil percobaan. Penyusun menyampaikan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah menbantu sehingga dapat menyelesaikan laporan ini : 1. Ibu Dwi Ardiana Setyawardani, S.T.,M.T., selaku Ketua Program Diploma III Teknik Kimia UNS 2. Ibu Enny Kriswiyanti A.,ST.,MT., selaku dosen pembimbing laporan tugas akhir. 3. Bapak dan ibu yang telah memberikan dorongan kepada kami. 4. Semua pihak yang telah membantu atas tersusunnya laporan tugas akhir ini. Penyusun menyadari bahwa dalam penyusunan laporan ini terdapat kekurangan dan keterbatasan. Oleh karena itu, penyusun mengharapkan adanya kritik dan saran yang sifatnya membangun untuk kesempurnaan laporan ini. Akhir kata penyusun mengharap agar laporan ini dapat bermanfaat bagi rekan-rekan dan pembaca yang memerlukan.
Surakarta,
Mei 2010
Penyusun
iv
DAFTAR ISI
Halaman judul ......................................................................................................... i Lembar Pengesahan ................................................................................................ ii Lembar Konsultasi ................................................................................................. iii Kata Pengantar ....................................................................................................... iv Daftar isi.................................................................................................................. v Daftar Gambar....................................................................................................... vii Daftar simbol........................................................................................................ viii Intisari .................................................................................................................... ix BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang..................................................................................... 1 B. Perumusan Masalah............................................................................ 1 C. Tujuan.................................................................................................. 1 D. Manfaat ............................................................................................... 2 BAB II LANDASAN TEORI A. Tinjauan Pustaka .................................................................................... 3 B. Kerangka Pemikiran………………………………………………….21 BAB III METODOLOGI A. Alat dan Bahan..................................................................................... 22 B. Gambar rangkaian Alat ........................................................................ 24 C. Lokasi ................................................................................................... 25 D. Cara Kerja ............................................................................................ 25 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. Desain Alat........................................................................................... 27 B. Data Percobaan.................................................................................... 30 C. Hasil Perhitungan ................................................................................ 31 .
D. Pembahasan......................................................................................... 32 v
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN A. kesimpulan ........................................................................................... 34 .
B. Saran.................................................................................................... 34
Daftar Pustaka...................................................................................................... x Lampiran
vi
DAFTAR GAMBAR Gambar II.1 Kurva Aliran cocurent .................................................................. 5 Gambar II.2 Kurva Aliran counter curent ........................................................ 5 Gambar II.3 Batch Pan Evaporator.................................................................... 7 Gambar II.4 Evaporator Tabung Horizon tal .................................................... 8 Gambar II.5 Evaporator Falling Film ................................................................ 9 Gambar II.6 Evaporator Rising Film................................................................. 10 Gambar II.7 Evaporator Sirkulasi Paksa ........................................................... 12 Gambar II.8 Evaporator Film Aduk .................................................................. 13 Gambar II.9 Fire Tube Boiler............................................................................ 15 Gambar II.10 Water Tube Boiler......................................................................... 16 Gambar III.1 Rangkaian Alat Evaporator Secara Batch..................................... 24 Gambar IV.1 Rangkaian Alat Evaporator Secara Batch..................................... 27 Gambar IV.2 Tangki Evaporator......................................................................... 28 Gambar IV.3 Tangki Boiler ................................................................................ 29
vii
DAFTAR SIMBOL
Qk
= laju perpindahan panas konduksi (Btu/h) = Gradien suhu (°F/ft)
k
= Koefisien perpindahan panas konduksi (Btu/h. ft2.°F)
Qc
= Laju perpindahan panas konveksi (Btu/h)
A
= Luas permukaan (ft2)
∆T
= Perbedaan suhu permukaan dengan fluida °F
hc
= Koefisien perpindahan panas konveksi (Btu/h.ft2.°F)
Qr
= Laju perpindahan panas radiasi (W)
ε
=Emisivitas benda, 0< ε ≤1
δ
=Tetapan boltzman 5,67 x 10-8 (W/m2.K4)
W1
=Laju aliran massa fluida panas, kg/jam
W2
=Laju aliran massa fluida dingin, kg/jam
Cp1
=Kalor spesifik fluida panas, kal/kg °C
Cp2
=Kalor spesifik fluida dingin, kal/kg °C
T1,T2 =Suhu fluida panas saat masuk dan keluar, °C t1,t2
=Suhu fluida dingin saat masuk dan keluar, °C
Q
=Laju perpindahan panas, kal/jam
U
=Koefisien perpindahan panas overall, kal/m2.jam.°C
∆TLMTD=Logaritmic mean temperature difference, °C
viii
ABSTRACT ARIF LUKMAN, MOCHAMAD SIDIQ, 2010, FINAL REPORT ”MAKING OF EVAPORATOR BATCH TYPE TO CONCENTRATING DYE SOLUTION SPRAY DRYER FEED” DIPLOMA III STUDY PROGRAM CHEMICAL ENGINEERING, FACULTY OF ENGINEERING, SEBELAS MARET UNIVERSITY OF SURAKARTA. Making of dye powder with Spray Dryer need 60% concentration feed. While the result from boiling was obtained 30% dye concentration, so it requires a concentrated tool from first concentration 30% to 60% for spray dryer feed. The aim of this final report to make a concentrated tool (evaporator) that used to concentrate of dye feed spray dryer from concentration 30% to 60%. Evaporator which manufactured is evaporator batch type with hot air heaters. Evaporator consists of the tank and copper coil. Evaporator tank is made of stainless steel plate which has a diameter of 16 cm, 60 cm high and has a total volume of 9.8502 L. From the test tool results on the first design of evaporator using a hot air as the heater with blower assistance can not afford to heat the evaporator, so also with the aid of a compressor. Therefore used boiler as a steam producer for heater evaporator. Boiler has a length of 80 cm, width 50 cm and equipped with copper coils for continued heating. Boiler is be able to heating evaporator continuously with temperatures 93° C and produce teak leaf dye extract as much as 4 L with a concentration of 60% from 8 L of the extract of 30% during 6 hours. The operation of evaporator uses a batch system produce heat efficiency of 4,17%.
xi
INTISARI ARIF LUKMAN, MOCHAMAD SIDIQ, 2010, LAPORAN TUGAS AKHIR ”PEMBUATAN EVAPORATOR TIPE BATCH UNTUK MEMEKATKAN LARUTAN ZAT WARNA UMPAN SPRAY DRYER” PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK KIMIA, FAKULTAS TEKNIK, UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA. Pembuatan zat warna serbuk dengan spray dryer memerlukan umpan dengan konsentrasi 60%. Sedangkan dari hasil perebusan diperoleh konsentrasi zat warna 30%. Sehingga diperlukan sebuah alat pemekat dari konsentrasi awal 30% menjadi 60% untuk umpan spray dryer. Tujuan dari Tugas Akhir ini adalah untuk membuat sebuah alat pemekat (evaporator) yang berfungsi sebagai pemekat umpan zat warna spray dryer dari konsentrasi 30% menjadi 60%. Evaporator yang dibuat adalah evaporator tipe batch dengan pemanas udara panas. Evaporator terdiri dari dari tangki dan koil tembaga.Tangki evaporator terbuat dari plat stainless steel yang memiliki diameter 16 cm, tinggi 60 cm dan memiliki volume total 9,8502 L. Dari hasil uji alat pada awal perancangan evaporator menggunakan udara panas sebagai pemanasnya dengan bantuan blower tidak mampu untuk memanaskan evaporator. Begitu juga dengan bantuan kompresor. Oleh karena itu digunakan boiler sebagai penghasil steam untuk pemanas evaporator. Boiler memiliki panjang 80 cm , lebar 50 cm dan dilengkapi koil tembaga untuk pemanasan lanjut. Boiler mampu memanaskan evaporator secara kontinyu dengan suhu 93°C dan menghasilkan ekstrak zat warna daun jati sebanyak 4 L dengan konsentrasi 60% dari 8 L ekstrak 30% selama 6 jam. Pengoperasian evaporator ini menggunakan sistem batch menghasilkan efisiensi 4,17%
1
BAB I PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG Pembuatan zat warna serbuk dengan spray dryer memerlukan umpan larutan zat warna dengan konsentrasi 60%. Dari hasil perebusan biasa hanya diperoleh konsentrasi zat warna sebesar 30%. Untuk itu diperlukan sebuah alat pemekat atau evaporator untuk memekatkan larutan zat warna umpan dari konsentrasi mula-mula sebesar 30% menjadi 60% padatan. Evaporator berfungsi sebagai alat pendukung spray dryer . Larutan pekat hasil evaporator akan digunakan sebagai umpan spray dryer untuk dikeringkan menjadi zat warna serbuk.
B. PERUMUSAN MASALAH Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan, maka permasalahan dapat dirumuskan sebagai berikut : 1. Bagaimana perancangan dan pembuatan alat pemekat zat warna (evaporator) tipe batch? 2. Bagaimana unjuk kerja evaporator yang diperoleh?
C. TUJUAN Tujuan tugas akhir ini adalah:
2
1. Merancang dan membuat alat pemekat zat warna (evaporator) tipe batch. 2. Mengetahui unjuk kerja evaporator yang diperoleh.
D. MANFAAT 1. Bagi mahasiswa a.
Dapat mengaplikasikan ilmu yang telah diperoleh selama kuliah dalam kehidupan sehari – hari.
b.
Meningkatkan kreativitas dalam pengembangan teknologi.
2. Bagi masyarakat Diharapkan alat ini dapat bermanfaat bagi masyarakat sebagai alat pengental alternatif.
3
BAB II LANDASAN TEORI A. TINJAUAN PUSTAKA Tujuan evaporasi adalah untuk memekatkan larutan yang terdiri dari zat terlarut yang tak mudah menguap dan pelarut yang mudah menguap. Dalam kebanyakan proses evaporasi, pelarutnya adalah air. Evaporasi dilakukan 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 yang sangat kental dan bukan zat padat. Evaporasi berbeda pula dengan distilasi, karena uapnya biasanya komponen tunggal. Walaupun uap itu merupakan campuran, tidak ada usaha untuk memisahkannya menjadi fraksi-fraksi. Evaporasi berbeda dengan kristalisasi, karena evaporasi digunakan untuk memekatkan larutan dan bukan untuk pembuatan zat padat atau kristal (Mc Cabe, 1985). Perpindahan panas dapat berlangsung berdasarkan tiga macam dasar sebagai berikut: a.
Perpindahan panas secara konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah dalam suatu medium atau perantara yang diam. Laju perpindahan panas secara konduksi dihitung dengan persamaan: Qk=
-k.A.
...... (1)
4
b.
Konveksi adalah proses dimana panas mengalir dibawa zat alir (fluida) dari satu permukaan yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya lebih rendah dengan medium atau perantara yang bergerak. Laju perpindahan panas secara konveksi dihitung dengan persamaan: Qc=
c.
hc.A.(Thot-Tcold) .........
(2)
Radiasi adalah proses dimana perpindahan panas dari sumber panas menuju suatu benda secara pancaran melalui gelombang elektromagnetik tertentu tanpa memerlukan media penghantar. Laju perpindahan panas secara konveksi dihitung dengan persamaan: Qr=Ɛ.δ.A.(Thot4-Tcold4)
.......... (3)
Neraca panas pada alat penukar adalah panas yang dilepaskan oleh fluida panas sama dengan panas yang diterima oleh fluida dingin Qpanas=Qdingin .......... (4) W1.Cp1.(T1-T2)panas= W2.Cp2.(t1-t2)dingin
.......... (5)
Faktor yang mempengaruhi perpindahan panas dapat dilihat dari rumus dibawah : Q=A.U.∆TLMTD .......... (6)
5 Gambar II. 1 Kurva Aliran Cocurrent ∆TLMTD untuk aliran cocurrent ∆TLMTD= (Th1-Tc1)-(Th2-Tc2) ln (Th1-Tc1) (Th2-Tc2)
Gambar II. 2 Kurva Aliran Countercurrent
∆TLMTD untuk aliran countercurrent ∆TLMTD= (Th1-Tc2)-(Th2-Tc1) ln (Th1-Tc2) (Th2-Tc1) .......... (7) (Kern, 1983). Jenis-jenis evaporator dengan pemasukan uap yang banyak digunakan adalah:
1. Batch Pan Evaporator Evaporasi, batch pan (figure 1) adalah salah satu metode tertua dalam pemekatan. Hal ini telah ketinggalan jaman dengan teknologi sekarang ini, namun masih digunakan dalam beberapa aplikasi yang terbatas, seperti pemekatan nira dalam pembuatan gula merah dan dalam pengolahan beberapa produk farmasi. Sampai awal 1960-an, batch pan 6 juga digunakan secara luas dalam pmekatan sirup jagung. Dengan batch pan evaporator, waktu tinggal produk biasanya adalah berjam-jam. Oleh karena itu, yang penting adalah untuk mendidihkan pada temperatur rendah dan tekanan vakum ketika produk sensitif terhadap panas atau thermodegradable. Pemanasan batch pan biasanya menggunakan jaket pemanas atau menggunakan koil pemanas atau juga dipanaskan secara langsung dengan api dibawah pan. Luas perpindahan panas biasanya sangat kecil karena berbentuk bejana, dan koefisien perpindahan panas cenderung rendah karena konveksi natural. Luas permukaan rendah dengan koefisien perpindahan panas yang rendah umumnya membatasi kapasitas penguapan dari sistem tersebut.
Perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan
pengadukan di dalam bejana. Dalam banyak kasus, perbedaan suhu yang besar tidak dapat digunakan karena kekhawatiran akan timbulnya fouling pada permukaan perpindahan panas. Kapasitas penguapan relatif rendah, karena itu, penggunaannya terbatas.
Gambar II. 3 Batch Pan Evaporator 7 (www.2ndteknik-kimia2003.blogspot.com)
2. Evaporator tabung horizontal Larutan yang akan dievaporasikan berada di luar tabung horizontal dan uap mengalir di dalam tabung horizontal. Tabung horizontal diliputi dan dikelilingi oleh sirkulasi yang alami dari cairan yang mendidih sehingga meminimumkan pengadukan cairan. Sebagai hasilnya maka pada evaporator jenis ini dijumpai koefisien perpindahan panas keseluruhan yang lebih rendah berbanding pada evaporator jenis lain. Hal ini bermanfaat khususnya untuk mengevaporasikan larutan yang viskos. Koefisien keseluruhan yang berada antara 200-400 Btu/jam.ft2.°F (1100-2300 W/m2K) akan didapatkan, yang tergantung pada perbedaan suhu keseluruhan, suhu didih, dan sifat larutan yang dievaporasikan. Evaporator tabung horizontal biasanya digunakan untuk kapasitas yang kecil dan untuk mengevaporasikan larutan yang encer dan larutan ini tidak berbusa dan tidak meninggalkan deposit padatan pada tabung evaporator.
Gambar II. 3 Evaporator Tabung Horizontal
8
3. Evaporator vertikal tabung panjang: a. Evaporator falling film Evaporator yang digunakan untuk memekatkan bahanbahan yang sangat peka terhadap panas, seperti air jeruk, dan yang mengharuskan
waktu
kontak
yang singkat
sekali
dengan
permukaan panas. Pada evaporator falling film, zat cair masuk dari atas, lalu mengalir ke bawah di dalam tabung panas itu dalam bentuk film, kemudian keluar dari bawah. Tabung-tabungnya biasanya agak besar, berdiameter 2 hingga 10 inci. Uap yang keluar dari zat cair itu biasanya terbawa turun bersama zat cair, dan keluar dari bagian bawah unit itu. Evaporator ini bentuknya menyerupai sebuah penukar panas jenis tabung, yang panjang, vertikal dan dilengkapi dengan separator zat cair uap di bawah, dan distributor/penyebar zat cair di atas.
Evaporator falling film mempunyai waktu tinggal yang 9 sangat singkat, sehingga dapat menangani produk-produk yang peka yang tidak dapat ditangani dengan cara lain. Alat ini juga sesuai sekali untuk memekatkan zat cair viskos.
A: Umpan
1: Kepala
B: Vapor
2: Calandria
C: Konsentrat
3: Calandria,bagian bawah
D: Pemanasan Uap
4: Mixing Channel
E: Condensate
5: Vapor separator
Gambar II. 4 Evaporator Falling Film
b. Evaporator rising film Rising evaporator merupakan proses evaporasi dimana umpan dipaksa masuk dari bagian bawah evaporator dan mengalir ke atas serta produk hasil evaporasi akan keluar pada bagian atas evaporator tersebut.
10
A: Umpan B: Vapor C: Konsentrat D: Uap panas masuk E: Condensate
Gambar II. 5 Evaporator Rising Film
Pada proses ini umpan (A) masuk dari bagian bawah evaporator,
umpan
tersebut
dipaksa
naik
keatas
dengan
menggunakan kompresor kemudian cairan umpan akan berkontak dengan panas dari steam masuk (D) pada dinding tube-nya dengan aliran umpan berlawanan arah dengan aliran steam dan proses penguapan air akan terjadi.
11
Pada saat yang bersamaan, produksi uap hasil penguapan air akan meningkat dan umpan akan membentuk lapisan film pada dinding tube. Umpan ini akan bergerak ke atas berlawanan dengan gaya gravitasi karena pengaruh dorongan kompresor dari bawah evaporator tersebut. Produk hasil pemekatan akan keluar melalui pipa (C) dan uap hasil penguapan evaporator akan keluar melalui pipa keluar (B). Kondensat dari steam akan keluar melalui saluran (E). Proses ini sangat berguna untuk cairan yang memiliki viskositas tinggi.
c. Evaporator sirkulasi paksa Pada evaporator sirkulasi paksa, cairan yang akan dievaporasikan
dipompakan
melewati
penukar panas
(heat
exchanger) dimana media pemanas mengelilingi pipa-pipa yang membawa cairan yang akan dievaporasikan. Gabungan penurunan tekanan dan head hidrostatik di dalam alat ini adalah cukup besar untuk mencegah larutan mendidih di dalam pipa penukar panas, sehingga uap yang dihasilkan akan tersembur keluar, pada saat cairan memasuki ruang kosong di dalam tabung. Karena kecepatan semburan ada1ah tinggi, di dalam ruang kosong diletakkan sekat yang berguna untuk memisahkan uap dari larutan yang masih ada. Desain sekat yang tepat diperlukan untuk mencegah penggabungan gelembung-gelembung kecil cairan dan juga untuk mencegah perubahan arah dari aliran cairan. Pada evaporator sirkulasi paksa, koefisien perpindahan panas akan bergantung kepada kecepatan sirkulasi, titik didih, dan sifat-sifat sistem. Pada tingkat sirkulasi yang rendah, pendidihan akan terjadi disepanjang pipa-pipa pemanas. Pendidihan ini akan meningkatkan
kejatuhan
larutan
dan
menjadikan
koefisien
pendidihan menjadi dua ka1i lebih besar berbanding dengan tanpa pendidihan. Fraksi dari cairan yang menguap ketika melewati pipa
12
akan menjadi kecil, sehingga kecepatan sirkulasi keseluruhan yang melalui pipa adalah beberapa kali lebih besar dari kecepatan umpan. Pada evaporator sirkulasi paksa, koefisien perpindahan panas akan bergantung kepada kecepatan sirkulasi, titik didih, dan sifat-sifat sistem. Pada tingkat sirkulasi yang rendah, pendidihan akan terjadi disepanjang pipa-pipa pemanas. Pendidihan ini akan meningkatkan
kejatuhan
larutan
dan
menjadikan
koefisien
pendidihan menjadi dua ka1i lebih besar berbanding dengan tanpa pendidihan. Fraksi dari cairan yang menguap ketika melewati pipa akan menjadi kecil, sehingga kecepatan sirkulasi keseluruhan yang melalui pipa adalah beberapa kali lebih besar dari kecepatan umpan.
Gambar II. 6 Evaporator Sirkulasi Paksa
13
4. Evaporator film aduk Evaporator ini digunakan untuk menangani bahan yang viskos, peka, dan korosif. Pada evaporator ini, perpindahan panas menyeluruh dari uap kepada zat cair yang mendidih di dalam evaporator, terletak pada sisisisi zat cair. Oleh karena itu, setiap cara yang dapat mengurangi tahanan itu akan memberikan perbaikan yang berarti terhadap koefisien perpindahan panas menyeluruh. Dalam evaporator tabung panjang, lebihlebih yang menggunakan sirkulasi paksa, kecepatan zat cair di dalam tabung itu tinggi. Zat cair itu sangat turbulen, dan laju perpindahan kalornya besar. Evaporator itu merupakan modifikasi daripada evaporator film jatuh yang mempunyai tabung tunggal
bermantel, di mana di dalam
tabung itu terdapat sebuah pengaduk. Umpan masuk dari puncak bagian bermantel dan disebarkan menjadi film tipis yang sangat turbulen dengan bantuan daun-daun vertika1 agitator (pengaduk) itu. Konsentrat keluar dari bawah bagian bermantel, uap naik dari zone penguapan masuk ke dalam bagian tak bermantel yang diametemya agak lebih besar dari tabung evaporasi.
Gambar II. 7. Evaporator Film aduk (Mc Cabe, 1985)
14
BOILER
Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumnya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik. Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Air yang disuplai ke boiler untuk diubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah: (1) Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan (2) Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang. 1. Tipe-tipe boiler Boiler terdiri dari bermacam-macam tipe yaitu :
15
1. Fire Tube Boiler Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa – pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boiler biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relatif kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boiler kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boiler dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boiler dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.
Gambar 1. Fire Tube Boiler 2. Water Tube Boiler Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa – pipa masuk ke dalam drum. Air yang tersikulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500-12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boiler yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk water tube boiler yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket. Karakteristik water tube boiler sebagai berikut :
16
·
Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi pembakaran
·
Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air
·
Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi
Gambar 2. Water Tube Boiler Blowdown Boiler Jika air dididihkan dan dihasilkan steam, padatan terlarut yang terdapat dalam air akan tinggal di boiler. Jika banyak padatan terdapat dalam air umpan, padatan tersebut akan terpekatkan dan akhirnya akan mencapai suatu tingkat dimana kelarutannya dalam air akan terlampaui dan akan mengendap dari larutan. Diatas tingkat konsenrasi tertentu, padatan tersebut mendorong terbentuknya busa dan menyebabkan
terbawanya
air ke steam. Endapan
juga mengakibatkan
terbentuknya kerak di bagian dalam boiler, mengakibatan pemanasan setempat menjadi berlebih dan akhirnya menyebabkan kegagalan pada pipa boiler. Oleh karena itu penting untuk mengendalikan tingkat konsentrasi padatan dalam suspensi dan yang terlarut dalam air yang dididihkan. Hal ini dicapai oleh proses yang disebut blowing down, dimana sejumlah tertentu volume air dikeluarkan dan secara otomatis diganti dengan air umpan. Dengan demikian akan tercapai tingkat optimum total padatan terlarut (TDS) dalam air boiler dan
17
membuang padatan yang sudah rata keluar dari larutan dan yang cenderung tinggal pada permukaan boiler. Blowdown penting untuk melindungi permukaan penukar panas pada boiler. Walau demikian, blowdown dapat menjadi sumber kehilangan panas yang cukup berarti, jika dilakukan secara tidak benar. Pengendalian blowdown boiler yang baik dapat secara signifikan menurunkan biaya perlakuan dan operasional yang meliputi: §
Biaya perlakuan awal lebih rendah
§
Konsumsi air make-up lebih sedikit
§
Waktu penghentian untuk perawatan menjadi berkurang
§
Umur pakai boiler meningkat
§
Pemakaian bahan kimia untuk pengolahan air umpan menjadi lebih rendah
Pengolahan Air Umpan Boiler Memproduksi steam yang berkualitas tergantung pada pengolahan air yang benar untuk mengendalikan kemurnian steam, endapan dan korosi. Sebuah boiler merupakan bagian dari sistem boiler, yang menerima semua bahan pencemar dari sistem didepannya. Kinerja boiler, efisiensi, dan umur layanan merupakan hasil langsung dari pemilihan dan pengendalian air umpan yang digunakan dalam boiler. Jika air umpan masuk ke boiler, kenaikan suhu dan tekanan menyebabkan komponen air memiliki sifat yang berbeda. Hampir semua komponen dalam air umpan dalam keadaan terlarut. Walau demikian, dibawah kondisi panas dan tekanan hampir seluruh komponen terlarut keluar dari larutan sebagai padatan partikulat, kadang-kadang dalam bentuk kristal dan pada waktu yang lain sebagai bentuk amorph. Jika kelarutan komponen spesifik dalam air terlewati, maka akan terjadi pembentukan kerak dan endapan. Air boiler harus cukup bebas dari pembentukan endapan padat supaya terjadi perpindahan panas yang cepat dan efisien dan harus tidak korosif terhadap logam boiler.
18
a) Pengendalian endapan Endapan dalam boiler dapat diakibatkan dari kesadahan air umpan dan hasil korosi dari sistem kondensat dan air umpan. Kesadahan air umpan dapat terjadi karena kurangnya sistem pelunakan. Endapan dan korosi menyebabkan kehilangan efisiensi yang dapat menyebabkan kegagalan dalam pipa boiler dan ketidakmampuan memproduksi
steam.
Endapan
bertindak
sebagai
isolator
dan
memperlambat perpindahan panas. Sejumlah besar endapan diseluruh boiler dapat mengurangi perpindahan panas yang secara signifikan dapat menurunkan efisiensi boiler. Berbagai jenis endapan akan mempengaruhi efisiensi boiler secara berbeda-beda, sehingga sangat penting untuk menganalisis karakteristik endapan. Efek pengisolasian terhadap endapan menyebabkan
naiknya
suhu
logam
boiler
dan
mungkin
dapat
menyebabkan kegagalan pipa karena pemanasan berlebih. b) Kotoran yang mengakibatkan pengendapan Bahan kimia yang paling penting dalam air yang mempengaruhi pembentukan endapan dalam boiler adalah garam kalsium dan magnesium yang dikenal dengan garam sadah. Kalsium dan magnesium bikarbonat larut dalam air membentuk larutan basa/alkali dan garam-garam tersebut dikenal dengan kesadahan alkali. Garam-garam tersebut terurai dengan pemanasan, melepaskan karbon dioksida dan membentuk lumpur lunak, yang kemudian mengendap. Hal ini disebut dengan kesadahan sementara (kesadahan yang dapat dibuang dengan pendidihan). Kalsium dan magnesium sulfat, klorida dan nitrat, jika dilarutkan dalam air secara kimiawi akan menjadi netral dan dikenal dengan kesadahan nonalkali. Bahan tersebut disebut bahan kimia sadah permanen dan membentuk kerak yang keras pada permukaan boiler yang sulit dihilangkan. Bahan kimia sadah non-alkali terlepas dari larutannya karena penurunan daya larut dengan meningkatnya suhu, dengan pemekatan
19
karena penguapan yang berlangsung dalam boiler, atau dengan perubahan bahan kimia menjadi senyawa yang kurang larut. c) Silika Keberadaan silika dalam air boiler dapat meningkatkan pembentukan kerak silika yang keras. Silika dapat juga berinteraksi dengan garam kalsium dan magnesium, membentuk silikat kalsium dan magnesium dengan daya konduktivitas panas yang rendah. Silika dapat meningkatkan endapan pada sirip turbin, setelah terbawa dalam bentuk tetesan air dalam steam, atau dalam bentuk yang mudah menguap dalam steam pada tekanan tinggi. d) Pengolahan air internal Pengolahan internal adalah penambahan bahan kimia ke boiler untuk mencegah pembentukan kerak. Senyawa pembentuk kerak diubah menjadi lumpur yang mengalir bebas, yang dapat dibuang dengan blowdown. Metode ini terbatas pada boiler dimana air umpan mengandung garam sadah yang rendah, dengan tekanan rendah, kandungan TDS tinggi dalam boiler dapat ditoleransi, dan jika jumlah airnya kecil. Jika kondisi tersebut tidak terpenuhi maka laju blowdown yang tinggi diperlukan untuk membuang lumpur. Hal tersebut menjadi tidak ekonomis sehubungan dengan kehilangan air dan panas. Jenis sumber air yang berbeda memerlukan bahan kimia yang berbeda pula. Senyawa seperti sodium karbonat, sodium aluminat, sodium fosfat, sodium sulfit dan komponen sayuran atau senyawa inorganik seluruhnya dapat digunakan untuk maksud ini. Untuk setiap kondisi air diperlukan bahan kimia tertentu. Harus dikonsultasikan dengan seorang spesialis dalam menentukan bahan kimia yang paling cocok untuk digunakan pada setiap kasus. Pengolahan air hanya dengan pengolahan internal tidak direkomendasikan. e) Pengolahan Air Eksternal Pengolahan eksternal digunakan untuk membuang padatan tersuspensi, padatan telarut (terutama ion kalsium dan magnesium yang merupakan
20
penyebab utama pembentukan kerak) dan gas-gas terlarut (oksigen dan karbon dioksida). Proses perlakuan eksternal yang ada adalah: §
Pertukaran ion
§
Deaerasi (mekanis dan kimia)
§
Osmosis balik (reverse osmosis)
§
Penghilangan mineral/demineralisasi
Sebelum digunakan cara diatas, perlu untuk membuang padatan dan warna dari bahan baku air, sebab bahan tersebut dapat mengotori resin yang digunakan pada bagian pengolahan berikutnya. Metode pengolahan awal adalah sedimentasi sederhana dalam tangki pengendapan atau pengendapan dalam clarifiers dengan bantuan koagulan dan flokulan. Penyaring pasir bertekanan, dengan aerasi untuk menghilangkan karbon dioksida dan besi, dapat digunakan untuk menghilangkan garam-garam logam dari air sumur. Tahap pertama pengolahan adalah menghilangkan garam sadah dan garam non-sadah. Penghilangan hanya garam sadah disebut pelunakan, sedangkan penghilangan total garam dari larutan disebut penghilangan mineral atau demineralisasi. f) Rekomendasi untuk boiler dan kualitas air umpan Kotoran yang ditemukan dalam boiler tergantung pada kualitas air umpan yang tidak diolah, proses pengolahan yang digunakan dan prosedur pengoperasian boiler. Sebagai aturan umum, semakin tinggi tekanan operasi boiler akan semakin besar sensitifitas terhadap kotoran. (www.energyefficiencyasia.org)
21
B. KERANGKA PEMIKIRAN Berdasarkan dari pemanfaatan pemanas udara dengan bantuan blower yang digunakan juga sebagai pemanas udara pada rangkaian alat spray dryer, didapatkan kerangka pemikiran untuk pembuatan evaporator. Berikut adalah urutan kerangka pemikiran:
Proses Pembuatan Alat Evaporator
Studi literatur/pustaka tentang evaporator
Menentukan jenis evaporator yang digunakan
Menentukan kapasitas dan ukuran alat
Membuat alat pemekat evaporator tipe batch
Merancang rangkaian alat
Menguji kerja alat pemekat
Menganalisa produk
22
BAB III METODOLOGI
A. Alat dan Bahan A. Alat yang digunakan sebagai berikut : v Evaporator Ø Alat utama a. Kunci pas b. Kunci inggris c. Gergaji besi d. Alat potong plat e. Tang f. Grinder g. Alat patri h. Palu Ø Alat pembantu a. Mur dan baut b. Karet sumbat c. Termometer (0°-150°C) 2buah d. Termometer (0°-200°C) e. Stop kran (1/2 inc) f. Selotip v Boiler Ø Alat utama a. Kunci pas b. Kunci inggris c. Gergaji besi d. Tang e. Grinder f. Alat las listrik g. Alat potong plat
23
h. Palu Ø Alat pembantu a. Mur dan baut b. Manometer c. Stop kran (1/2 inc) d. Safety valve e. Kompor bross f. LPG 3kg g. Regulator high pressure h. Selang kompor gas i. Klem selang j. Plastic steel k. Selotip B. Bahan yang digunakan sebagai berikut : 1. Evaporator v Bahan utama a. Plat stainless steel b. Koil tembaga (3/8 in) c. Pipa besi d. Besi siku 2. Boiler v Bahan utama a. Tabung minyak 20 L b. Koil tembaga (1/2 in) c. plat seng d. besi siku
24
B. Gambar Rangkaian Alat
8
7
9
3
2
5 4
1
10 11 6
12
Keterangan gambar : 1. Tangki boiler 2.
Valve output steam
3.
Manometer
4.
Water input
5.
Safety valve
6.
Lubang kompor
7.
Thermometer steam input evaporator
8.
Umpan masuk
9.
Tangki evaporator
10.
Thermometer steam output
11.
Steam output (kondensat)
12.
Produk out Gambar III.1 Rangkaian alat Evaporator secara Batch
C. Lokasi
25
Karena keterbatasan tenaga dan peralatan yang dimiliki oleh mahasiswa, maka pembuatan evaporator type batch dikerjakan oleh pihak bengkel mesin Widodo, yang beralamat di Pajang, Laweyan. Tempat yang digunakan untuk pelaksanaan
kegiatan
dan
penelitian
(pengujian
alat)
dilakukan
di
Laboratorium Limbah Operasi Teknik Kimia Universitas Sebelas Maret.
D. Cara Kerja 1. Cara Pembuatan Alat Evaporator a. Menentukan persen konsentrasi dan massa input dan output evaporator yang diinginkan. b. Menghitung panas pada evaporator yang meliputi panas laten dan panas yang diserap air yang diuapkan. c. Menentukan ∆TLMTD yang kemudian digunakan untuk menghitung luas perpindahan panas pada evaporator. d. Menentukan dimensi evaporator berdasarkan luas perpindahan panas. e. Menentukan ketebalan dinding evaporator dari dimensi evaporator. 2. Cara Pembuatan Umpan Evaporator a. Menimbang daun jati muda sebanyak 850 gram kemudian memasukkan ke dalam 8,5 L air b. Merebus dalam panci hingga konsentrasi nya 30% dengan cara memanaskan ekstrak daun jati selama 45 menit c. Memisahkan padatan dengan ekstrak zat warna dengan cara menyaringnya hingga diperoleh ekstrak sebanyak 8 L
3. Cara Pengoperasian unjuk kerja alat evaporator
26
a. Merangkai alat dan menyiapkan ekstrak zat warna 30% sebanyak 8 L b. Menutup kran keluaran produk dan memasang termometer pada evaporator c. Memasukkan ekstrak daun jati kedalam evaporator d. Menghubungkan evaporator dengan boiler e. Mengisi boiler dengan air kran kira-kira 70% dari kapasitasnya f. Menyalakan kompor untuk memanasi boiler g. Menjalankan proses evaporasi secara batch kurang lebih selama 6 jam hingga volume ekstrak menjadi 4 L dengan cara melihat indikator ketinggian cairan pada evaporator. h. Mematikan kompor dan membuka kran keluaran produk untuk mengeluarkan ekstrak zat warna dan menampungnya. 3. Menentukan Efisiensi Alat a. Menghitung panas yang diserap untuk menguapkan air pada bahan. Q = m x ∫ Cp.dt b. Menghitung panas yang dilepaskan steam Q
=mxλ
c. Menghitung efisiensi Alat
Efisiensi alat =
Panas yang diserap BAB IV Panas yang dilepaskan
x 100%
27
HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Desain Alat 1. Rangkaian Alat Overall 8
7
9
3
2
5 4
1
10 11 6
12
Keterangan gambar : 1.
Tangki boiler
9. Tangki evaporator
2.
Valve output steam
10. Thermometer steam output
3.
Manometer
11. Steam output (kondensat)
4.
Water input
12. Produk out
5.
Safety valve
6.
Lubang kompor
7.
Thermometer steam input evaporator
8.
Umpan masuk
Gambar IV.1 Rangkaian alat Evaporator secara Batch
2. Tangki Evaporator
28
Tinggi
= 60 cm
Diameter
= 16 cm
Tinggi dudukan
= 30 cm
Tebal tangki
= 0,3 mm
Panjang koil
=3m
Diameter koil
= 3/8 in
Gambar IV.2 Tangki Evaporator
3. Tangki Boiler
29
Panjang tangki
= 58 cm
Lebar tangki
= 27 cm
Panjang dudukan
= 80 cm
Tinggi dudukan
= 50 cm
Panjang koil
=3m
Diameter koil
= ½ in
Gambar IV.3 Tangki Boiler
30
ii.
Data Percobaan
1. Pengoperasian evaporator dengan udara panas: a. Udara panas dengan blower : · Umpan Volume umpan yang dipekatkan
=8L
· Suhu udara panas Masuk
= 150 °C
Keluar
= 30°C
· Suhu larutan zat warna Masuk
= 32 °C
Keluar
= 40 °C
· Produk zat warna
=8L
b. Udara panas dengan kompresor : · Umpan Volume umpan yang dipekatkan
=8L
· Suhu udara panas Masuk
= 150 °C
Keluar
= 60°C
· Suhu larutan zat warna Masuk
= 32 °C
Keluar
= 55 °C
· Produk zat warna
=8L
2. Pengoperasian evaporator dengan boiler : a. Umpan Volume umpan yang dipekatkan
=8L
b. Suhu steam Masuk
= 150°C
Keluar
= 105°C
c. Tekanan boiler
= 2 bar
d. Suhu larutan zat warna Masuk
= 30 °C
Keluar
= 93 °C
31
iii.
e. Waktu persiapan + pemanasan boiler
= 2 jam
f. Waktu pemekatan
= 6 jam
Hasil Perhitungan · Pengoperasian evaporator dengan boiler : 1.
2.
3.
Spesifikasi umpan evaporator : a. Volume umpan
=8L
b. % padatan awal
= 31,45 %
c. Densitas
= 1,03324 gr/ml
Kondisi operasi evaporator : a. Suhu steam masuk
= 150 °C
b. Suhu Ekstrak
= 93°C
c. Suhu steam keluar
= 105°C
Spesifikasi produk evaporator
:
a. Volume Produk
=4L
b. % padatan produk
= 59,16 %
c. Densitas
= 1,09872 gr/ml
32
D. Pembahasan
Dalam pembuatan evaporator tipe batch ini diperoleh dengan berbagai tahap yakni dari studi literatur hingga menentukan dimensi evaporator tipe batch. Dari studi literatur diperoleh jenis evaporator yang akan dibuat yakni evaporator tipe batch, karena evaporator memiliki kapasitas yang kecil, sehingga evaporator tipe batch yang cocok dengan criteria tersebut. Awal perancangan evaporator dengan menggunakan udara panas yang juga dipakai untuk pemanas di spray dryer. Mula-mula menentukan basis output dan input dari evaporator begitu juga dengan konsentrasinya. Setelah itu menentukan panas yang dibutuhkan untuk menguapkan air yang nantinya akan digunakan untuk menentukan luas perpindahan panas. Setelah mengetahui luas perpindahan panasnya, maka dapat menentukan dimensi dari evaporator. Pada percobaan dengan pemanas yang sesuai dengan rancangan awal yakni dengan udara panas menggunakan blower sebagai pendorong udara panas. Didapatkan hasil udara panas masuk ke evaporator dengan suhu 150°C, keluar pada suhu 30°C. Udara panas hanya mampu memanaskan larutan zat warna dari 32°C menjadi 40°C. Artinya proses pemekatan tidak mungkin terjadi. Dilihat dari profil suhu untuk blower diperoleh hasil perhitungan ∆TLMTD untuk aliran udara panas baik secara countercurrent maupun cocurrent, tidak dapat dihitung karena diperoleh garis persilangan pada kedua profil. Dengan itu maka digunakan kompresor sebagai pengganti blower. Hasil dari penggantian tersebut tidak mendapatkan hasil yang memuaskan, dengan kompresor hanya mampu memanaskan cairan hingga suhu 60°C dengan suhu udara panas masuk 150°C dan keluar sebesar 55°C. Rangkaian tersebut juga tidak dapat untuk menghasilkan produk yang sesuai spesifikasi. Langkah akhir dalam mengatasi masalah tersebut adalah pemanas diganti dari semula menggunakan udara panas menjadi steam. diperoleh hasil produk sebanyak 4 L dengan kadar padatan zat warna sebesar 59,16% dari umpan sebanyak 8 L dengan kadar padatan 31,45 %. Proses pemekatan berlangsung selama 6 jam yang sebelumnya dilakukan proses persiapan dan
33
produksi steam hingga siap digunakan yakni selama 2 jam. Sehingga lama proses produksi keseluruhan adalah selama 8 jam. Kondisi operasi pada proses pemekatan berlangsung yakni suhu steam masuk sebesar 150°C dan keluar pada suhu 105°C. Steam dijaga tekanannya pada tekanan 2-3 bargauge. Pengaturan tekanan dalam boiler dengan mengatur besarnya bukaan valve. Semula saat pemanasan awal yakni dari suhu larutan 30 °C hingga suhu 70 °C, steam keluar evaporator berwujud kondensat. Setelah suhu larutan lebih dari 70°C hanya sebagian kecil steam yang terkondensasi. Suhu larutan saat proses pemekatan hanya dapat mencapai suhu maksimal 93°C. Menggunakan boiler sebagai penghasil steam lebih tinggi hasil pemanasannya daripada menggunakan udara panas yang di dorong oleh blower maupun kompresor. Hal ini dikarenakan panas yang digunakan adalah panas laten bukan panas sensible. Dengan penambahan boiler sebagai pengganti pemanas evaporator, sebenarnya dengan penggantian media pemanas yang semula menggunakan udara panas menjadi steam, harus dilakukan pula penggantian pada fisik evaporator, seperti volume tangki, diameter koil dan juga panjang koil. Semuanya harus disesuaikan dengan perubahan tersebut, karena keterbatasan waktu, maka dimensi evaporator tidak dirubah dan hanya menambahkan boiler sebagai penyedia steam. Kendala yang muncul saat menggunakan boiler adalah banyaknya panas yang hilang ke lingkungan karena tidak adanya isolasi
untuk
menyelimuti evaporator sehingga pemanasan di dalam evaporator kurang optimal. Luas perpindahan panas yang kurang sehingga larutan ekstrak zat warna tidak dapat mendidih pada suhu didihnya yang menyebabkan proses pemekatannya berlangsung lama. Disamping itu tidak adanya pemanfaatan 34 steam yang keluar dari evaporator yang seharusnya bisa digunakan untuk recycle evaporator. Dan apabila digunakan untuk recycle maka pemanasan di evaporator bisa lebih optimal dan mempersingkat waktu proses. BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan 1. Dimensi evaporator meliputi : a.
Tinggi
= 60 cm
b.
Diameter
= 16 cm
c.
Panjang koil
= 2,96 cm
2. Pengoperasian evaporator dengan udara panas baik menggunakan blower ataupun kompresor tidak menghasilkan produk. 3. Kondisi operasi dengan pemanas boiler a.
Suhu steam masuk
= 150°C
b.
Suhu kondensat
= 105°C
c.
Suhu cairan
= 95°C
d.
Volume umpan
=8L
e.
% padatan umpan
= 31,45 %
f.
Volume Produk
=4L
g.
% padatan produk
= 59,16 %
h.
Panas yang diserap
= 0,379877 btu/detik
i.
Panas yang dilepaskan
= -9,11133 btu/detik
j.
Efisiensi evaporator
= 4,17 %
B. Saran 1. Perlunya perancangan ulang evaporator tipe batch karena berubahnya pemanas yang semula menggunakan udara panas menjadi steam , sehingga kerja evaporator lebih optimal. 2. Pada alat evaporator sebaiknya diselimuti dengan isolasi, agar panas tidak hilang ke lingkungan. 3. Air umpan boiler sebaiknya diolah terlebih dahulu agar terbebas dari kesadahan,sehingga boiler terbebas dari kerak
DAFTAR PUSTAKA
Anonim,
2008,
”Macam-macam
Evaporator”,
26
Juni
2010,
http://www.risvan.com/evaporator.html. Kern, D. Q., 1988, “Process Heat Transfer”, Mc. Graw Hill, Singapore. McCabe, W. L., Smith, J. C., and Harriot, P., 1990, ”Operasi Teknik Kimia”, Jilid 2, Edisi 4, Erlangga, Jakarta. Brownell, L. E., and Young, E. H., 1959, ”Process Equipment Design Vessel”, Butlewort, New York. Walas, S. M., 1988, ”Chemical Process Equipment”, John Wiley and sons Inc., New York.
ix
