Pengaruh o Brix Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas pada Evaporator Robert Sistem Quintuple Effect di PG. Gempolkrep

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK ITS Vl. 5, N., (206) ISSN: ( Print) B7 Pengaruh Brix Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas pada Evapratr Rbert Sistem Quintuple Effect di PG. Gemplkrep Eza Anansa Stria dan Prabw Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknlgi Industri, Institut Teknlgi Sepuluh Npember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60 Indnesia Abstrak Pabrik Gula Gemplkrep mengperasikan evapratr Rbert secara quintuple-effect dengan variasi tekanan yakni,6 bar,,26 bar, 0,9 bar, 0,54 bar dan 0,8 bar. Tekanan yang rendah membuat titik didih nira semakin menurun sehingga didapatkan nira yang terknsentrasi. Knsentrasi nira ditunjukkan dalam. Dalam penelitian ini, verall heat transfer cefficient dihitung untuk mengetahui karakteristik perpindahan panas. Nilai ini dihitung berdasarkan metde Dessin dan kefisien knveksi perpindahan panas. Knveksi sisi dalam tube dihitung menggunakan Chen s crrelatin sedangkan sisi luar tube dihitung menggunakan persamaan knveksi kndensasi film. Hasil yang didapat yaitu semakin besar setiap keluar evapratr yakni 8, 25, 32, 43 dan 68. Nilai U yang didapat untuk kelima evapratr berdasarkan metde Dessin adalah 3,46 kw/m 2.K, 2,92 kw/m 2.K, 2,35 kw/m 2.K,,7 kw/m 2.K, dan 0,86 kw/m 2.K, sedangkan berdasarkan pendekatan kefisien knveksi didapat U 3,4 kw/m 2.K, 2,92 kw/m 2.K, 2,48 kw/m 2.K, 2,2 kw/m 2.K dan,57 kw/m 2.K secara berurutan. Kata Kunci, evapratr, verall heat transfer cefficient, quintuple-effect. I. PENDAHULUAN Prses penguapan merupakan prses penting didalam pembuatan gula. Pada dasarnya permintaan panas di pabrik gula terjadi pada prses pemanasan nira, evaprasi, dan kristalisasi. Semua prses diatas dibutuhkan untuk prses prduksi, namun evaprasi ditekankan dalam aspek integrasi termal karena merupakan prses dengan knsumsi energi terbesar []. Evapratr merupakan suatu alat yang digunakan untuk prses evaprasi. Pada industri gula manfaat dari alat ini yaitu untuk mengentalkan nira sebelum dilah lebih lanjut dan untuk menurunkan aktivitas air. Di PG. Gemplkrep, evapratr yang digunakan adalah evapratr tipe Rbert dengan prinsip quintuple effect. Tekanan tiap evapratr dibuat menurun agar titik didih larutan nira menurun pula. Dengan kndisi tersebut air yang terkandung didalam nira akan teruapkan pada temperatur yang cukup rendah. Dengan pentingnya prses evaprasi maka dikaji ulang prsesnya sehingga diketahui prses perpindahan panas yang terjadi. Analisis dilakukan secara termdinamika dan perpindahan panas sehingga diktahui nilai verall heat transfer cefficient yang dihitung menggunakan dua metde yang berbeda yaitu metde Dessin dan metde kefisien knveksi, selain itu dihitung luasan perpindahan panas kemudian dianalisis parameter-parameter yang berpengaruh terhadap. bleeding P P 2 II. METODE PENELITIAN P 3 x x x x x Gambar.. Data Operasi PG. Gemplkrep Data yang didapat dari PG. Gemplkrep adalah seperti pada gambar diatas. Langkah-langkah analisis:. Menentukan temperatur saturasi air Pressure yang ditunjukkan vessel sudah dalam bentuk abslut, sehingga akan didapat temperatur saturasi uap pada tekanan tertentu. 2. Menghitung mass flw nira Mass flw nira yang masuk evapratr dapat ditentukan dari kapasitas giling PG. Gemplkrep. Dengan kapasitas giling sebesar 8200 TCD maka akan diketahui mass flw rate masuk evapratr Rbert. 3. Menghitung ttal air yang diuapkan selama evaprasi [2] E = J ( Bj Bs ) (2.) dimana: E = Jumlah air yang diuapkan (kg/s) J = Mass flw nira jernih (kg/s) Bj = nira jernih Bs = nira mentah 4. Menghitung uap bleeding [3] m x Cp x T P =.. (2.2) r

2 JURNAL TEKNIK ITS Vl. 5, N., (206) ISSN: ( Print) B8 dimana : P = kebutuhan uap (tn/jam) m = laju alir nira (tn/jam) Cp = kapasitas panas (kcal/kg.k) T = perbedaan temperatur (K) r = kalr laten pada suhu uap bleed (kcal/kg) 5. Menghitung banyaknya air yang diuapkan masingmasing vessel [2] 5 st vessel = X 4 th vessel = X 3 rd vessel = X 2 nd vessel = X + P st vessel = X + P + P 2 + P 3 E = 5X + 2P + P 2 + P 3 6. Menghitung laju alir nira tiap vessel menggunakan mass balance 7. Menghitung keluar evapratr [2] m jernih B = B i x m jernih E (2.3) 8. Menghitung biling pint elevatin (BPE)[3] T b = 2B 00 B. (2.4) 9. Menghitung temperatur nira [3] T j = T w,sat + T b (2.5) 0. Menghitung heat balance single vessel [4] Gambar. 2. Heat Balance singel vessel Q in = Q ut Q steam + Q nira jernih = Q uap nira + Q nira kental + Q kndensat (m steam x h steam ) + (m nira jernih x h nira jernih ) = (m uap nira x h uap nira ) + (m nira kental x h nira kental ) + (m kndensat x h kndensat ). (2.6). Menghitung verall heat transfer cefficient a. Dessin [5] U = L (00 B)(t v 54). (2.7).000 b. Kefisien knveksi [6] Sisi dalam tube menggunakan krelasi Chen h fc = F(X tt )h L... (2.8) h L = C ( k L D i ) Re L m Pr L n.... (2.9) Re = x = m uap 4m ( x). (2.0) πdμ m nira... (2.) X tt = ( x x ) 0,9 ( ρv ρl ) 0,5 ( μl μv )0,... (2.2) F(X tt ) = 2,35(X tt + 0,23) 0,736 (X tt < 0). (2.3) F(X tt ) = (X tt 0). (2.4) knveksi bling diberikan dengan persamaan: h b = S CH h nb + h fc (2.5) dimana: h b = kefisien perpindahan knveksi biling h nb = kefisien perpindahan panas nucleate biling S CH = ( + 2,63 x 0 6 Re,7 ) Reynlds yang digunakan untuk menghitung S CH adalah Re = Re L [F(X tt )],25. (2.6) Sedangkan untuk nukleat biling, Chen menggunakan krelasi Frster-Zuber: h nb = 0,0022 k L 0,79 Cp 0,45 L ρ 0,49 L Te 0,24 0,75 P sat σ 0,5 μ 0,29.. (2.7) L h fg ρ 0,24 v Prpertis nira [3] Densitas B(B + 200) ρ = 000 [ ] [ 0,036 t t ].. (2.8) Kapasitas panas Cp = 4,868 B(0,0297 4,6x0 5 P) + 7,5x0 5 B t. (2.9) Kndukivitas thermal k = ( 0,54B). [0,56 + 0,206 ( t 2 t ) 0,0943 ( ) 0, ( t 00 ) 3 ]... (2.20) Visksitas Visksitas diambil dari Kndensasi tube vertikal [7] Ja = cp l(t sat T s ) h fg... (2.2) h fg = h fg ( + 0,68 Ja)..... (2.22) P = k ll(t sat T s ) μ l h fg( v l 2 g )/3 (2.23) h L ( v l 2 g ) Nu L = k l 3 = 0,943P 4, jika P 5, (2.24)

3 BPE Temperatur ( C) JURNAL TEKNIK ITS Vl. 5, N., (206) ISSN: ( Print) B9 h L ( v l 2 g ) Nu L = k l 3 h L ( v l 2 g ) Nu L = k l = P (0,68P + 0,89)0,82, jika 3 5,8 P (2.25) = P [(0,024P 53)Pr 3 l ], jika P 2530, Pr l.. (2.26) 2. Menghitung luas perpindahan panas A = Q U T III. HASIL DAN DISKUSI 3. Hasil Ananlisis Quintupl-effect Dengan mengikuti langkah-langkan pada bab tiga maka akan didapatkan nilai-nilai temperatur, laju alir massa setiap material,, verall heat transfer cefficient, hingga luas perpindahan panas. 3.. Mass Balance Untuk mengetahui laju alir nira tiap vessel maka digunakan mass balance dari masing-masing vessel. Setelah laju alir nira diketahui maka keluar masing-masing vessel dapat dihitung. Menghitung nilai keluar vessel sangatlah penting karena digunakan untuk menghitung temperatur nira dan verall heat transfer cefficient. Hasil perhitungan mass balance dapat dilihat pada gambar 3 dibawah ini. 4 Gambar 4 diatas merupakan grafik hubungan antara dengan biling pint elevatin. Suatu larutan akan memiliki titik didih yang lebih tinggi dari pelarut murni (air). Semakin banyak zat yang terlarut di dalam pelarut murni maka larutan tersebut akan memiliki biling pint elevatin yang semakin besar dari air. Derajat berbanding lurus dengan biling pint elevatin sehingga semakin besar nilai maka BPEnya akan semakin besar pula. Dengan kata lain, semakin banyak zat terlarut dalam larutan nira maka titik didih nira akan semakin jauh diatas air. Nilai 68 pada vessel kelima menunjukkan bahwa 68% dari larutan tersebut adalah zat padat terlarut sedangkan 32% sisanya adalah air. Jumlah tersebut menunjukkan bahwa pelarut yang terkandung dalam larutan nira semakin sedikit dan jumlah zat terlarutnya semakin banyak, sehingga dengan jumlah zat padat terlarut yang besar akan membuat titik didih nira semakin tinggi dibandingkan air. Untuk mendapatkan nilai temperatur nira, maka biling pint elevatin ditambahkan pada temperatur saturasi uap air. Setelah biling pint elevatin ditambahkan ke temperatur saturasi uap maka terlihat perbedaan temperatur didih antara air dan nira seperti pada gambar 5. Semakin banyak zat terlarut didalam larutan maka titik didihnya semakin berbeda jauh. Pada 8 didapat biling pint elevatin hanya sebesar 0,43 C. Namun ketika zat terlarut sudah mencapai 68%, biling pint elevatin dapat mencapai 4,25 C. Nilai BPE ini sangat penting dalam perancangan awal evapratr, karena saat menghitung area perpindahan panas nilai perbedaan temperatur yang digunakan dalam perhitungan adalah perbedaan antara temperatur uap pemanas dengan titik didih nira bukan antara temperatur uap pemanas dengan temperatur saturasi uap. Gambar. 3. Flwsheet Evapratr Quintuple-effect 3..2 Biling Pint Elevatin 20,00 0,00 00,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40, Gambar. 5. Terhadap Temperatur Saturasi Tsat Tnira 5,00 3,00 2,00,00 0,00 Gambar. 4. Terhadap BPE Heat Balance Gambar 6 merupakan grafik hubungan antara dengan laju perpindahan panas. Terlihat bahwa semakin besar maka laju perpindahan panasnya semakin rendah, hal ini disebabkan leh mass flw rate uap dari vessel ke vessel berikutnya semakin sedikit. Pada tiga vessel terakhir didapatkan nilai laju perpindahan panas yang cenderung sama, hal ini karena pada tiga vessel terakhir uap nira tidak di-bleed sehingga mass flw rate uap sama hanya saja laten heat f vaprizatinnya semakin besar. Panas yang dihasilkan vessel

4 U (kw/m 2.K) h (kw/m 2.K) Laju Perpindahan Panas (kw) JURNAL TEKNIK ITS Vl. 5, N., (206) ISSN: ( Print) B0 adalah pertukaran panas antara steam dengan penguapan nira, sehingga energi panas yang dilepas steam harus sama dengan energi panas yang diterima leh nira. Tabel. Luas Perpindahan Panas Gambar. 6. Terhadap Laju Perpindahan Panas 3..4 Overall Heat Transfer Cefficient Gambar 7 merupakan grafik hubungan antara dengan verall heat transfer cefficient. Terlihat bahwa semakin besar maka nilai U semakin turun. Derajat menunjukkan knsentrasi nira, nilai yang semakin tinggi menunjukkan bahwa nira semakin terknsentrasi. Pada vessel kelima, mencapai angka maksimal untuk stasiun penguapan yaitu 68 (Hugt, 960) namun untuk perhitungan digunakan rata-rata didalam calandria. Berdasarkan persamaan 2.7 yakni U = L (00 B)(t 54) 000, B merupakan rata-rata didalam vessel. Persamaan tersebut menunjukkan bahwa semakin besar maka nilai U akan menurun. Selain parameter yang mempengaruhi nilai U adalah temperatur uap pemanas. Sehingga dapat disimpulkan bahwa verall heat transfer cefficient bergantung pada dua parameter yaitu temperatur saturasi dan knsentrasi nira. 3.2 Prses Penguapan 3.2. Kndensasi Gambar. 8. Prses Kndensasi Pada evapratr ini diasumsukan kndensasi terjadi secara film cndensatin seperti pada gambar 8 karena permukaan tube dianggap bersih dan tidak terkntaminasi. Adanya lapisan ini tidak menguntungkan karena dapat menjadi islasi panas yang merugikan ditinjau dari prses perpindahan panas. Sistem yang baik akan menghalau titiktitik tersebut dengan cepat sehingga akan sangat menguntungkan. 3,00 2,00,00 0,00 5 2,5 28,5 37,6 55,7 8,00 7,00 6,00 5,00 5,76 6,77 8,5,77 20,63 T ( C) Gambar 9. T Terhadap h Gambar. 7. Terhadap Overall Heat Transfer Cefficient 3..5 Luas Perpindahan Panas Hasil perhitungan memberikan angka yang cukup sesuai dengan eksisting, kecuali pada vessel 2. Berdasarkan analisis perhitungan, vessel 2 membutuhkan luas sekitar 2.00 m 2 namun PG. Gemplkrep mempunyai evapratr dengan luasan m 2, hal ini mungkin karena pada awal perencanaan quintuple effect, uap hasil evaprasi dari badan pertama tidak akan di bleed kedua melankan satu alat saja. Gambar 9 diatas merupaka grafik hubungan antara T dengan h. Dari grafik terlihat bahwa semakin besar perbedaan temperatur antara uap dengan surface maka kefisien perpindahan panasnya semakin menurun. Dengan menggunakan persamaan 2.23 yakni P = k ll(t sat T s ) μ l h fg( v l 2, terlihat g )/3 bahwa perbedaan temperatur berbanding lurus dengan bilangan tak berdimensi P. Setelah didapat nilai P maka Nusselt Number dihitung menggunakan persamaan Nu = (0,68P + P 0,89)0,82. Nilai P berbanding terbalik dengan Nu

5 hi (kw/m 2.K) JURNAL TEKNIK ITS Vl. 5, N., (206) ISSN: ( Print) B sehingga semakin besar P maka Nusselt Number akan semakin kecil. Adanya penurunan tekanan membuat perbedaan temperatur kndensasi semakin bertambah besar yang mengakibatkan nilai h menurun. Dapat disimpulkan bahwa besarnya kefisien knveksi pada sisi cndensing bergantung pada perbedaan temperatur uap pemanas dan surface Biling Gelembung-gelembung uap kecil bergerak keatas kemudian bertabrakan satu dengan yang lainnya, masing-masing gelembung pecah dan membentuk gelembung yang lebih besar. Gelembung tersebut bergerak keatas sambil mendrng nira. Setelah itu gelembung akan terus naik kebagian atas evapratr sedangkan nira akan masuk ke cental tube tanpa membuat lapisan tipis didinding tube. Nucleate biling merupakan regime yang paling dibutuhkan dalam perpindahan panas karena rate perpindahan panas yang tinggi dapat dicapai dengan perbedaan temperatur yang relative kecil. Untuk pla aliran didalam vertikal tube dapat dilihat pada gambar 3.0 dibawah ini. Gambar. 0. Biling Curve Regime Untuk menghitung kefisien knveksi didalam tube maka digunakan krelasi Chen. Krelasi tersebut digunakan untuk fluida dua fasa karena terjadi perubahan fasa dari larutan nira cair menjadi uap air. Pada persamaan tersebut dihitung Te yang merupakan perbedaan temperatur antara uap dengan surface. Nilai dari Te dapat digunakan untuk menentukan regime dari prses biling seperti pada gambar 0 diatas. Untuk biling pada evapratr Rbert ini, temperatur surface diasumsikan sebagai temperatur uap pemanas sedangkan Tsat merupakan temperatur saturasi uap. Dengan asumsi demikian maka didapat nilai Te seperti pada tabel 2 dibawah ini. Tabel 2. Perbedaan Temperatur Biling Gambar.. Pla Aliran didalam Vertikal Tube Berdasarkan hasil Te pada tabel 2, aliran biling yang terjadi adalah bubbly flw seperti pada gambar diatas. Pada aliran bubbly flw terlihat bahwa gelembung-gelembung kecil mulai terbentuk kemudian lepas dan mendrng nira keatas. Kefisien knveksi dihitung menggunakan krelasi Chen. Krelasi ini paling sering digunakan untuk alira dua fasa. Didalam tube, air berubah fasa sebagian menjadi uap dan sisanya masih berupa nira. Untuk perhitungan nucleate biling diasumsikan fluidanya adalah air. Dari hasil perhitungan didapat Te dari kelima evapratr berkisar antara 5-30 C, maka biling regimenya berada pada regime nucleate. Prses penguapan nira pada regime nucleate yaitu gelembung-gelembung uap kecil yang menempel pada dinding pipa akan terlepas leh suatu gaya. 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0,0 0, Gambar. 2. Terhadap hi

6 U (kw/m 2.K) JURNAL TEKNIK ITS Vl. 5, N., (206) ISSN: ( Print) B2 Gambar 2 merupakan grafik hubungan antara dengan hi. Kefisien knveksi berbanding terbalik terhadap. Semakin besar maka kefisien kveksinya akan semkain turun. Derajat identik dengan visksitas yang artinya semakin kental cairan yang mengalir didalam tube maka kefisien knveksinya akan semakin kecil. Dari persamaan 2.0 yakni Re = 4m ( x) πdμ terlihat bahwa bilangan Reynlds berbanding terbalik dengan visksitas. Visksitas nira semakin besar akibat adanya penurunan tekanan yang membuat temperatur saturasi uap menurun. Air yang terus teruapkan akan membuat nira semakin kental. Didalam menghitung bilangan Reynlds, ada parameter x yang merupakan fraksi uap. Untuk (-x) berarti bilangan Reynlds yang dihitung merupakan fasa liquid saja. Kefisien knveksi fasa liquid dihitung menggunakan persamaan Dittus-Betler. Kemudian menggunakan persamaan h nb = 0,0022 k L 0,79 Cp L 0,45 ρl 0,49 Te 0,24 P sat 0,75 σ 0,5 μ L 0,29 h fg ρ v 0,24 akan didapat kefisien knveksi untuk nucleate biling. Chen kemudian menambahkan dua kefisien tersebut untuk menjadi kefisien biling. Hasil yang didapat yaitu kefisien knveksi untuk biling semakin turun, maka dapat disimpulkan bahwa yang mempengaruhi nilai hi adalah visksitas. 3.3 Perbandingan Nilai Overall Heat Transfer Cefficient 3,50 3,00 2,50 2,00,50,00 0,50 0,00 Gambar. 3. Perandingan Nilai U Knveksi Secara trendline kedua grafik ini menunjukkan penurunan. Visksitas dan perbedaan temperatur memiliki efek negatif terhadap kefisien heat transfer [8]. Dari dua persamaan yang digunakan, temperatur dan visksitas menjadi parameter yang sangat diperhitungkan. Pada perhitungan metde Dessin, visksitas gula lebih dikenal dengan dengan istilah yang menunjukkan knsentrasi nira. Dapat disimpulkan bahwa hasil perhitungan yang didapat sudah sesuai dengan teri karena didapat nilai U yang semakin menurun seiring meningkatnya visksitas dan perbedaan temperatur. Namun hasil perhitungan U menggunakan dua persamaan yang berbeda memberikan nilai U yang cukup berbeda pada dua vessel terakhir, hal ini dikareakan adanya BPE pada nira saat penguapan. Perhitungan knveksi sisi tube memperhitungkan biling untuk water, sedangkan fluida didalam tube adalah nira sehingga dengan adanya BPE yang besar akan menyebabkan adanya deviasi yang besar pula. IV. KESIMPULAN. Pada 8, 25, 32, 43 dan 68 didapat biling pint elevatin yang semakin besar yaitu 0,43, 0,67, 0,93,,53, dan 4, Pada 8, 25, 32, 43 dan 68 didapat laju perpindahan panas yang cenderung menurun yaitu ,25 kw, ,4 kw, ,93 kw, ,73 kw, ,96 kw. Laju perpindahan panas pada dua vessel terakhir mengalami peningkatan karena laju alir uap dari vessel sebelumnya tetap sedangkan kalr latennya semakin besar dengan adanya penurunan tekanan. 3. Pada 8, 25, 32, 43 dan 68 didapat verall heat transfer cefficient yang semakin menurun yaitu 3,46 kw/m 2.K, 2,92 kw/m 2.K, 2,35 kw/m 2.K,,7 kw/m 2.K, 0,86 kw/m 2.K. 4. Luas perpindahan yang didapat untuk quintuple effect yaitu m 2, m 2,.200 m 2,.200 m 2, dan terakhir 200 m 2. Pada vessel kedua, luas perpindahan panasnya berbeda dengan kndisi eksisting yakni m 2, hal ini mungkin karena saat perancangan luasan, uap dari vessel satu hanya akan di-bleed ke satu alat yaitu vacuum pan atau heater saja. 5. Hasil perhitungan verall heat transfer cefficient secara knveksi memberikan nilai yang hampir sama dengan metde Dessin kecuali pada dua vessel terakhir, hal ini karena perhitungan knveksi memperhitungkan penguapan air sedangkan fluida yang menguap didalam tube adalah nira, sehingga dengan adanya BPE pada nira maka didapatkan perbedaan nilai verall heat transfer cefficient yang semakin besar. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis E.A.S mengucapkan terima kasih kepada Prf. Dr. Eng. Prabw, M.Eng. yang telah memberikan bimbingan serta arahan dalam menyelasaikan tugas akhir ini dan tak lupa kepada semua pihak yang membantu tugas akhir ini. DAFTAR PUSTAKA [] Higa, M., A.J. Freitas, A.C. Bannwart, R.J. Zemp Thermal Integratin f Multiple Effect Evapratr in Sugar Plant. Applied Thermal engineering 29: hal [2] Hugt, E Handbk f Cane Sugar Engineering. Amsterdam: Elsevier. [3] Rein, Peter Cane Sugar Engineering. Berlin. [4] Singh, R. Paul Single Effect Evapratr, <URL: [5] Jenkins, G.H Intrductin t Cane Sugar Technlgy. Amsterdam: Elsevier. [6] Lestina, Thmas, Rbert W. Serth Prcess Heat Transfer Principles And Applicatins. Elsevier: UK. [7] Incrpera, Frank P., David P. Dewitt, 20. Fundamentals f Heat and Mass Transfer. USA: Jhn Wiley and Sns, Inc. [8] Chen, Hng Factrs Affecting Heat Transfer In The Falling Film Evapratr. Thesis At Massey University.