Desain Multi Effect Evaporator dengan Menggunakan Excel Add-in dan Solver

Transkripsi

1 Desain Multi Effect Evaporator dengan Menggunakan Excel Add-in dan Solver Dimas Firmanda Al Riza*, M. Bagus Hermanto dan Bambang Dwi Argo Jurusan Keteknikan Pertanian - Fakultas Teknologi Pertanian - Universitas Brawijaya Jl. Veteran, Malang *Penulis Korespondensi, dimasfirmanda@ub.ac.id ABSTRAK Multi effect evaporator merupakan salah satu alat pemrosesan bahan pertanian yang banyak digunakan dalam industri pangan dan industri lainnya, antara lain dalam pembuatan gula merah, jelly, es krim, industri kertas, dan pada proses desalinasi. Desain multi effect evaporator ini dapat dikatakan cukup kompleks dan membutuhkan perhitungan yang rumit dengan proses iterasi. Dalam makalah ini akan dibahas tentang desain multi effect evaporator non-iteratif dan semi-iteratif dengan menggunakan Excel Add-in dan Solver. Studi kasus yang diambil dan disajikan pada makalah ini adalah khusus untuk desain multi effect evaporator dengan skema sistem yang feed forward dan memiliki tiga efek. Verifikasi hasil perhitungan dilakukan dengan membandingkan hasil perhitungan Excel dengan hasil perhitungan manual dengan metode yang ada pada buku teks untuk desain multi effect evaporator pada pemrosesan nira tebu menjadi gula merah. Dengan penggunaan software yang sudah banyak dikenal oleh masyarakat ini maka dapat dilakukan proses desain yang cepat dan mudah dengan akurasi yang cukup memuaskan. Kata kunci: Desain evaporator, gula merah tebu, excel PENDAHULUAN Gula merupakan salah satu bahan pokok yang dibutuhkan oleh masyarakat yang cukup besar permintaan pasarnya. Data konsumsi gula nasional pada tahun 2005 adalah sebesar 3,6 juta ton/tahun sedangkan data produksinya hanya sekitar 2 juta ton/tahun (Utami, 2008). Kepala Dinas Perkebunan Jatim mengatakan bahwa Produksi gula merah tebu di Jawa Timur tahun 2011 sebesar 5 ribu ton. Naik dari tahun 2010 lalu yang hanya ton. Namun kebutuhannya cukup besar yakni ribu ton tiap tahunnya (Panji, 2012). Diantara berbagai jenis gula, gula merah tebu merupakan salah satu yang paling diminati sebagai bahan baku industri, seperti industri kecap dan industri pangan lainnya. Dalam pengembangan usaha gula merah tebu, terdapat beberapa kendala yang dihadapi oleh masyarakat. Diantara kendala-kendala tersebut antara lain adalah keterbatasan modal dan kurangnya pengetahuan masyarakat tentang teknologi pengolahan gula merah tebu. Padahal, dengan teknologi yang ada, produksi gula merah tebu dapat terjaga standar mutunya dan dapat diproduksi dengan kapasitas yang jauh lebih besar daripada produksi dengan menggunakan metode konvensional. Bahan baku gula merah tebu adalah nira tebu. Nira tebu adalah cairan hasil penggilingan batang tebu yang berwarna coklat kehijauan (Puri, 2005). Pada metode konvensional, pengolahan gula tebu dilakukan dengan memanaskan nira tebu diatas tungku dan diaduk sampai kental (terkaramelisasi), setelah dingin maka cairan nira ini akan mengeras dan dididapatkanlah gula merah tebu. Pengadukan pada proses pembuatan gula merah tradisional ini sering menggunakan tenaga manusia. Dengan menggunakan metode konvensional ini kapasitas gula tebu yang dihasilkan sangat bergantung dari masing-masing tenaga pengolahnya sehingga mutunya sangat bervariasi. Kapasitas produksinya-pun tidak dapat ditingkatkan dengan maksimal. Pada metode 1

2 ini penggunaan energi juga tidak efisien karena sumber panas digunakan hanya dalam satu kali proses. Untuk pemrosesan gula menjadi gula merah (terkaramelisasi) pada skala industri sering digunakan sistem evaporator. Salah satu teknologi yang dapat digunakan untuk produksi gula merah tebu dalam kapasitas besar adalah dengan menggunakan teknologi pemasakan uap bertingkat atau disebut Multi-Effect Evaporator (MEE). Pada sistem ini, uap sebagai sumber panas digunakan dalam beberapa kali tingkatan sehingga penggunaannya menjadi lebih efisien. Dengan menggunakan sistem ini gula merah tebu juga dapat diproduksi secara kontinyu dan dalam kapasitas yang jauh lebih besar daripada dengan menggunakan metode konvensional. Desain MEE dapat menjadi hal yang rumit karena dalam perhitungannya melibatkan proses iterasi dan perlu memperhatikan banyak variabel. Selain itu software yang tersedia untuk desain MEE kebanyakan merupakan software berbayar yang tidak familier di masyarakat. Cudier and Fuentes (2005) Menggunakan Software Visual Basic untuk desain MEE dengan beberapa penyederhanaan di tahap perhitungan desain. VanAntwerp (2009) menggunakan Ms. Excel dan Excel Solver sebagai metode non-iteratif untuk desain MEE dengan skema backward-feed. Dari berbagai macam tipe evaporator, yang sesuai dan sering digunakan untuk proses evaporasi larutan gula adalah tipe short tube vertical evaporator dengan skema kerja feed-forwarded. Tipe evaporator ini menggunakan sirkulasi alami untuk mekanisme heat transfer-nya. Karena laju sirkulasi dalam evaporator berkali lipat dari laju larutan masuk (feed) maka downcomer perlu didesain sedemikian rupa sehingga dapat mengalirkan larutan dari bagian atas evaporator ke bawah, ukuran downcomer juga perlu diperhatikan agar tidak mengakibatkan hold-up larutan dalam evaporator (Raghuraman, 2011). Evaporator jenis ini relatif murah dan digunakan untuk larutan non-viscous yang memiliki koefisien pindah panas yang tinggi dan cairan yang tidak menimbulkan kerak (scale). Karena sirkulasi cairan yang tidak begitu baik pada evaporator tipe ini, maka tipe ini tidak sesuai untuk cairan dengan viskositas tinggi. Pada hampir semua kasus, evaporator jenis ini beroperasi kontinyu, dimana laju feed konstan dan laju konsentrat juga konstan (Geankopolis, 1978). Gambar 1. Skema Short-tube vertical evaporator (single effect) (Geankopolis, 1978) Pada proses evaporasi larutan gula, larutan bening gula memiliki konsentrasi o Brix (10-13 wt %) dievaporasi sehingga mencapai konsentrasi o Brix (Kern, 1950; Shreve, 1977). Geankopolis (1978) mengatakan bahwa feed awalnya dipanaskan (preheated) dengan menggunakan exhaust steam dan biasanya memasuki sistem 6-effect forward-feed evaporator (beberapa contoh kasus 3-effect). Effect yang pertama beroperasi pada tekanan dalam ruang uap evaporator sekitar 207 kpa (30 psia) [121.1 o C (250 o F) temperatur saturasi] dan effect terakhir pada keadaan vakum sekitar 24 kpa (63.9 o C saturasi). Makalah ini bertujuan untuk menyajikan proses perhitungan desain Multi-effect Evaporator yang mudah dengan software yang familier di masyarakat (Ms. Excel). 2

3 BAHAN DAN METODE Dalam makalah ini software yang digunakan untuk desain MEE adalah Ms. Excel 2007 dengan tambahan add-in berupa Excel Solver dan add-in untuk steam table (Water97_v13). Gambar 2 menunjukkan file add-in yang harus di-instal terlebih dahulu sebelum pembuatan program perhitungan desain MEE di Ms. Excel. Add-in steam table lain seperti steamprops juga dapat diinstal untuk melengkapi add-in Water97. Gambar 2. Add-in yang harus di-instal di Ms. Excel untuk pembuatan program perhitungan MEE Dalam perhitungan desain MEE terdapat 8 tahap yang harus dilakukan (Geankopolis, 1978). Tahap-tahap perhitungan MEE sesuai dengan buku teks adalah sebagai berikut: 1. Menentukan titik didih pada efek yang terakhir berdasarkan konsentrasi produk yang diinginkan dan tekanan di efek yang terakhir 2. Menentukan jumlah total uap air yang diuapkan oleh keseluruhan proses kesetimbangan massa. Asumsi bahwa V1=V2=V3 (diperoleh L1, L2, L3) 3. Menggunakan persamaan 8.5-6, memperkirakan drop temperatur dari efek 1 sampai terakhir 4. Menggunakan kesetimbangan panas dan massa di setiap efek, menghitung fluida yang diuapkan dan aliran fluida di setiap efek 5. Menghitung nilai pindah panas di setiap efek dan menghitung nilai rata-rata luas permukaan untuk pindah panas di masing-masing efek, jika luas area jauh berbeda di masing-masing efek maka dilanjutkan iterasi ke-2 6. Memulai iterasi ke 2 dengan nilai V dan L yang berbeda (prediksi BRP) dilakukan perhitungan mulai langkah ke 4 lagi 7. Memulai iterasi ke 2 dengan nilai V dan L yang berbeda (prediksi BRP) dilakukan perhitungan mulai langkah ke 4 lagi 8. Menghitung luas area pindah panas di masing-masing efek yang baru (iterasi berlanjut jika luas area masih jauh berbeda pada masing-masing efek) Contoh dari perhitungan manual dapat dilihat pada buku teks proses transport dan unit operasi (Geankopolis, 1978). Pada contoh perhitungan tersebut digunakan studi kasus untuk MEE tiga efek dengan skema feed forward yang banyak digunakan untuk industri gula. Pada makalah ini akan digunakan skema yang sama (MEE tiga efek feed forward) sesuai dengan contoh perhitungan manual pada buku teks sehingga hasil perhitungan dapat mudah divalidasi dengan hasil yang ada pada buku teks. Untuk merancang program dengan skema yang lain maka rumus-rumus dan tahapan perhitungan yang dibuat dalam Ms. Excel harus disesuaikan. Gambar 1 menunjukkan gambaran umum dari MEE tiga efek dengan skema feed forward. 3

4 Gambar 3. Skema Triple Effect Feed Forward MEE yang disederhanakan (Geankopolis, 1978) Kemudian dibuatlah sheet perhitungan desain MEE dengan Ms. Excel 2007 sesuai dengan tahapan perhitungan yang telah dijelaskan diatas. Kemudian program yang telah dibuat diuji dengan nilai yang ada dalam perhitungan manual pada buku teks untuk validasi. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 4 menunjukkan sheet perhitungan desain MEE yang telah dibuat di Ms. Excel Pada sheet tersebut dibuat diagram sederhana triple effect MEE sehingga mudah untuk meninjau kembali parameter-parameter yang ada di setiap efek. Untuk tahap perhitungan 1-3 langsung dibuat pada skema tersebut sedangkan tahap 4-8 dibuat pada tabel-tabel di bawah skema tersebut. Untuk penentuan Boiling Point Rise (BPR) yang pada perhitungan dilakukan secara perkiraan, maka dapat digunakan Excel Solver untuk perkiraan BPR ini. Gambar 4. Sheet perhitungan desain MEE pada Ms. Excel

5 Untuk perhitungan tahap ke-4 pada triple effect Evaporator terdapat 3 persamaan linear yang harus diselesaikan, untuk dapat menyelesaikan persamaan linier ini dengan Ms. Excel dapat digunakan perkalian matrix. Apabila ada perkalian matrix sebagai berikut: A*X=B Dimana X adalah matrix yang tidak diketahui (matrix yang dicari). Jika kedua sisi persamaan dikalikan dengan invers matrix A yaitu A maka: A *A*X=A *B Jika kedua sisi persamaan dikalikan dengan invers matrix A yaitu A maka: A *A*X=A *B A *A adalah matrix identitas (I) sehingga: I*X=A *B I*X adalah X sehingga X=A *B Maka X dapat dihitung dengan mengalikan invers matrix A dengan matrix B. Hasil dari perhitungan ini dapat dilihat pada Gambar 5 yang menunjukkan tabel perhitungan tahap 4-8. Gambar 4. Perhitungan tahap 4 sampai 8 Setelah semua tahap perhitungan selesai maka akan didapatkan luas area yang diperlukan untuk transfer panas pada setiap efek MEE. Luas area ini kemudian digunakan untuk membuat detail ukuran setiap heat exchanger pada masing-masing efek mulai dari diameter dan panjang efek, diameter dan panjang down take, diameter, panjang dan jumlah pipa kecil pada setiap efek. Untuk melakukan perhitungan ini maka digunakan Excel Solver yang dapat melakukan simulasi perhitungan dengan menerapkan beberapa konstrain yang ditetapkan. Sheet perhitungan detail ukuran setiap efek ini dapat dilihat pada Gambar 5. 5

6 Gambar 5. Perhitungan detail ukuran heat exchanger pada setiap efek MEE SIMPULAN Dari hasil validasi program dengan hitungan manual pada buku teks didapatkan bahwa program yang dibuat dengan Ms. Excel menghasilkan perhitungan yang sesuai dengan yang diinginkan. Ms. Excel dapat digunakan dengan mudah untuk melakukan perhitungan desain MEE. Penggunaan Add in steam tables akan jauh mempermudah proses perhitungan sehingga dalam perhitungan tidak perlu melihat steam table berulang kali secara manual. Penggunaan Add in Excel Solver dapat menjadi solusi perhitungan non iterative untuk perkiraan Boiling Point Rise dan untuk perkiraan detail ukuran heat exchanger pada MEE. DAFTAR PUSTAKA Mila Fadilah Utami, 2008, Studi Pengembangan Usaha Gula Merah Tebu di Kabupaten Rembang: Studi Kasus di Kecamatan Pamotan, Kabupaten Rembang, Skripsi, Departemen Teknologi Industri Pertanian, Institut Pertanian Bogor Panji, 2012,, Permintaan Gula Merah Meningkat, Rafinasi Jadi Alternatif, dilihat pada 20 November 2012 < Puri, B. A Kajian Pemurnian Nira Tebu denganmembran Filtrasi dengan Sistem Aliran Silang (Crossflow). Skripsi. Departemen Teknologi Industri Pertanian. Fakultas Teknologi Pertanian. Institut Pertanian Bogor. Bogor. Christie J. Geankopolis, 1978, Transport Processes and Unit Operation, 3rd edition, New Jersey, Prentice Hall Inc. Alina Jancew Cudier and Claudio Olivera Fuentes, 2005, A Simplified and Generalized Method to Size Multiple-Effect Evaporator Systems with Any Feed Scheme, 2nd Mercusor Congress on Chemical Engineering, 4th Mercusor Congress on Process Systems Engineering, Costa Verde, Rio de Jeneiro, Brasil Jeremy VanAntwerp, Aubrey Sykes and April Xiuhau Si, 2009, Non-iterative Design of Multiple Effect Evaporators using Excel add-ins, American Society for Engineering Education R. Raghuraman, 2011, Design and Simulation of a Multiple Effect Evaporator System, BSc. Thesis, Department of Chemical Engineering, National Institute of Technology, India 6