SIMULASI PROSES EVAPORASI BLACK LIQUOR DALAM FALLING FILM EVAPORATOR (FFE) DENGAN ADANYA ALIRAN UDARA DITINJAU DARI PENGARUH ARAH ALIRAN UDARA

Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2012

SIMULASI PROSES EVAPORASI BLACK LIQUOR DALAM FALLING FILM EVAPORATOR (FFE) DENGAN ADANYA ALIRAN UDARA DITINJAU DARI PENGARUH ARAH ALIRAN UDARA Dosen Pembimbing :

1. Prof. Dr. Ir. Ali Altway, MS 2. Dr. Ir. Kusnarjo, MT Disampaikan oleh :

Medya Ayunda Fitri (2309 105 026)

Trisna Kumala Dhaniswara (2309 105 038)

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

PENDAHULUAN


LATAR BELAKANG

Produk samping industri kertas BLACK LIQUOR

Mengandung air, lignin, selulosa, Na2CO3, dan Na2SO4 Pada industri kertas, black liquor diolah kembali menjadi white liquor untuk digunakan kembali


LATAR BELAKANG EVAPORATOR

Laju perpindahan panas besar FALLING FILM EVAPORATOR Waktu tinggal relatif kecil

PERANCANGAN FALLING FILM EVAPORATOR

Penelitian (eksperimen dan simulasi) untuk memprediksi kinerja falling film evaporator secara tepat


PENELITI TERDAHULU Peneliti Lonkar, dkk

Tahun 1991

Lingkup Penelitian 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.

Hewit, dkk

1993

Memberikan persamaan koefisien perpindahan panas pada aliran laminar halus, laminar gelombang dan turbulen.


PENELITI TERDAHULU Peneliti Palen, dkk

Tahun 1994

Lingkup Penelitian Mengadakan penelitian hubungan antara perpindahan panas dan perpindahan massa, untuk campuran biner ethylen glikol dan propilen glikol, pada tekanan atmosfer.

Lailatul, dkk

2000

Mengadakan penelitian tentang pengaruh laju

alir, dan konsentrasi terhadap koefisien perpindahan panas untuk larutan gula. Penelitian ini dilakukan pada tekanan atmosferik.


PENELITI TERDAHULU Peneliti

Tahun

Liang-Han Chien,

2005

dkk

Lingkup Penelitian Mengadakan penelitian tentang membandingkan data eksperimen dengan prediksi model falling film evaporator pada literatur.

Budhikarjono, dkk

2006

Mengadakan penelitian tentang perpindahan panas dan massa penguapan falling film campuran uap-gas metanol-air arah berlawanan.


PENELITI TERDAHULU Peneliti Bhargava, dkk

Tahun 2008

Lingkup Penelitian Mengadakan penelitian tentang membandingkan data eksperimen dengan pengembangan model matematika non linear untuk analisa Septuple effect flat falling film evaporator (SEFFFE) system menggunakan

konsentrasi black liquor dalam industri kertas. Tanjung, dkk

2009

Mengadakan penelitian tentang simulasi falling film evaporator dengan sistem larutan black liquor – udara dengan data dari literatur.


RUMUSAN MASALAH

1.

Bagaimana mengevaluasi kinerja falling film evaporator sistem black liquor-udara dengan menggunakan simulasi.

2.

Bagaimana mencari koefisien perpindahan panas dan massa serta korelasi koefisien perpindahan panas dan massa.

3.

Bagaimana pengaruh arah aliran udara terhadap kinerja evaporator?


TUJUAN PENELITIAN 1. Melakukan kajian teoritis dengan cara membandingkan hasil eksperimen dan simulasi dengan pengembangan model matematis kinerja falling film evaporator untuk memekatkan black liquor. 2. Mengestimasi parameter model (koefisien perpindahan panas dan massa) dengan fitting prediksi teoritis terhadap data eksperimen

peneliti terdahulu. 3. Mempelajari pengaruh arah aliran udara terhadap kinerja evaporator


METODOLOGI PENELITIAN


LANGKAH-LANGKAH PENELITIAN Studi literatur Permodelan matematis proses penguapan black liquor dalam Falling Film Evaporator dari persamaan differensial diselesaikan dengan persamaan numerik Pembuatan program dengan menggunakan Matlab Estimasi parameter Simulasi dan evaluasi hasil simulasi Kesimpulan


SKEMA PERALATAN UNTUK ALIRAN UDARA CO-CURRENT Keterangan : 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

SKEMA PERALATAN UNTUK ALIRAN UDARA COUNTER-CURRENT Keterangan :

6

14

15

18

26 32 8 31 9

10 1 21 11

12

13

16

22

7 28 Air Pendingin

17 2

19 29

24

30

35

Udara

25

27

3

4 33 34

20

5

23

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

VARIABEL PENELITIAN INPUT 1. Laju alir umpan (100 l/jam, 110 l/jam dan 120 l/jam) 2. Laju alir udara (4 dan 6 m³/jam) 3. Arah aliran udara (co-current dan counter current)

OUTPUT 1. Distribusi temperatur liquid ke arah axial 2. Distribusi temperatur gas ke arah axial 3. Distribusi konsentrasi di dalam film liquid ke arah axial 4. Konsentrasi dalam aliran liquid keluar


SKEMATIK FFE ASUMSI

r

z TW δ

&0 m

τrz

r

τrz

r+Δr

• • • • •

R-δ

&1 m R

•

Aliran laminar, steady state. Film liquid rata dan tebal film seragam Konveksi ke arah radial, konduksi ke arah axial. Konduksi ke arah radial dan axial, konveksi ke arah radial pada gas. 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


SISTEM PERSAMAAN Neraca momentum : (Laju momentum masuk) - (Laju momentum keluar) + gaya gravitasi = 0

− d (rτ rz ) + ( ρ L − ρ G ) gr = 0 …………………………………(3.1) dr Dimana τrz untuk fluida Newton :

τ rz

=-μ

dVz dr

…………………………………(3.2)

Boundary Condition : r=R–δ

τrz = 0

r=R

Vz = 0

Sehingga didapat : ( ρ − ρG ) g R (ρ L − ρG ) g 2 (( R − δ ) 2 ln ) Vz= (R − r 2 ) − L 2µ r 4µ

v = 2π ∫

R

R −δ

Vz rdr

....................... (3.3)

....................................................... (3.4)


SISTEM PERSAMAAN

Neraca Energi Pada film liquida V z ρ L Cp L

∂TL k L ∂  ∂TL  = r  ∂z r ∂r  ∂r 

…………………………………(3.5)

Boundary Condition : z=0 TL = Tlin

r=R–δ

q = -kL

r=R

q = qw

dTL dr

= hG (TL - TG) + λ ky (YAS - YAG)


SISTEM PERSAMAAN Neraca Energi Pada udara Untuk aliran co-current : − ρ G Cp G vG

∂TG 4 hG (Ts − TG ) + =0 D ∂z

.........................................(3.6)

Untuk aliran counter-current :

ρ G CpG vG

∂TG 4 hG (Ts − TG ) + =0 D ∂z

..........................................(3.7)

Boundary Condition : z=L

TG = TGin (counter current)

z=0

TG = TG (co-current)


SISTEM PERSAMAAN Neraca Massa Total :

∂F = − k y πD(Y AS − Y AG ) ∂z

…………………………….(3.8)

Boundary Condition : z=0

F = Fin

Neraca massa solute (komponen) dalam liquid

F C = Fin C in

…………………………….(3.9)


HASIL DAN PEMBAHASAN


Data eksperimen :

Qgas 4

6

Qliquid Konsentrasi 100 0,106 110 0,106 120 0,106 100 0,131 110 0,131 120 0,131

Dari data eksperimen kemudian dilakukan Fitting dengan menggunakan metode HookeJeeves. ………………………………… (4.3) ………………………………….. (4.4) Sehingga diperoleh nilai C1 = 0,0027 dan C2 = 0,0437


Perbandingan antara Prediksi Simulasi dengan Data Eksperimen

382 Eksperimen Kurniawan-Irawan pada Qg = 4 m3/jam Simulasi pada Qg = 4 m3/jam Eksperimen Kurniawan-Irawan pada Qg = 6 m3/jam

381

Simulasi pada Qg = 6 m3/jam

Temperatur liquid,Tl (K)

380 379

378 377

376 375

374

373

0

0.2

0.4

0.6

0.8 1 1.2 Posisi aksial,z (meter)

1.4

1.6


1.8

2

Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Temperatur Liquida bagian Interface Pada Aliran Udara Searah 374 Qlarutan=100 L/jam Qlarutan=110 L/jam Qlarutan=120 L/jam

372


370

368

366

364

362

360 0

0.2

0.4

0.6


1.4

1.6


1.8

2

Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Temperatur Liquida bagian Interface Pada Aliran Udara Berlawanan Arah


Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Temperatur Liquida bagian Dinding Pada Aliran Udara Searah 382 Qlarutan=100 L/jam Qlarutan=110 L/jam Qlarutan=120 L/jam

381


380 379 378 377 376 375 374 373

0

0.2

0.4

0.6


1.4

1.6


1.8

2

Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Temperatur Liquida bagian Dinding Pada Aliran Udara Berlawanan Arah 382 Qlarutan=100 L/jam Qlarutan=110 L/jam Qlarutan=120 L/jam

381


380 379 378 377 376 375 374 373

0

0.2

0.4

0.6


1.4

1.6


1.8

2

Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Distribusi Temperatur Gas Pada Aliran Udara Searah 363.1

363

Temperatur gas,Tg (K)

362.9

362.8

362.7

362.6

362.5

Qgas=4 m3/jam Qgas=6 m3/jam

362.4 0

0.2

0.4

0.6

0.8 1 1.2 Posisi axial,z (meter)

1.4


1.6

1.8

2

Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Distribusi Temperatur Gas Pada Aliran Udara Berlawanan Arah


Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Konsentrasi Pada Aliran Udara Searah 0.16

0.14

Konsentrasi solut,Xa

0.12

0.1

0.08

0.06

0.04

Q larutan=100 m3/jam Q larutan=110 m3/jam Q larutan=120 m3/jam 0

0.2

0.4

0.6

0.8 1 1.2 Posisi aksial,z

1.4


1.6

1.8

2

Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Konsentrasi Pada Aliran Udara Berlawanan Arah 0.16


0.14

0.12

0.1

0.08

0.06

0.04

Q larutan=100 m3/jam Q larutan=110 m3/jam Q larutan=120 m3/jam 0

0.2

0.4

0.6


1.4

1.6


1.8

2

Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Distribusi Konsentrasi Pada Aliran Udara Searah 0.16 Q gas=4 m3/jam Q gas=6 m3/jam 0.14


0.12

0.1

0.08

0.06

0.04

0

0.2

0.4

0.6


1.4

1.6


1.8

2

Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Distribusi Konsentrasi Pada Aliran Udara Berlawanan Arah 0.22 0.2


0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04

Q gas=4 m3/jam Q gas=6 m3/jam 0

0.2

0.4

0.6


1.4

1.6


1.8

2

KESIMPULAN 1. Hasil simulasi mendekati hasil eksperimen dengan penyimpangan rata-rata untuk laju alir gas 4 m3/jam sebesar 10,26% dan untuk laju alir gas 6 m3/jam sebesar 4,64 %. 2. Penelitian ini mendapatkan persamaan koefisien transfer panas dan massa yaitu : ………………….. (5.1)

………………….. (5.2) 3. Pengaruh arah aliran udara terhadap efisiensi kinerja Falling Film Evaporator yang lebih baik adalah dengan menggunakan aliran udara berlawanan arah. Hal ini ditunjukkan dari konsentrasi keluar hasil simulasi untuk aliran udara berlawanan arah pada gas 4 m3/jam sebesar 15,8% dan untuk aliran udara searah pada gas 4 m3/jam sebesar 12,5%.



SIMULASI PROSES EVAPORASI BLACK LIQUOR DALAM FALLING FILM EVAPORATOR (FFE) DENGAN ADANYA ALIRAN UDARA DITINJAU DARI PENGARUH ARAH ALIRAN UDARA

Recommend Documents