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 Trisna Kumala Dhaniswara (2309 105 026) (2309 105 038)
PENDAHULUAN
LATAR BELAKANG Produk samping industri kertas BLACK LIQUOR Mengandung air, lignin, selulosa, Na 2 CO 3, dan Na 2 SO 4 Pada industri kertas, black liquor diolah kembali menjadi white liquor untuk digunakan kembali
LATAR BELAKANG EVAPORATOR FALLING FILM EVAPORATOR Laju perpindahan panas besar Waktu tinggal relatif kecil PERANCANGAN FALLING FILM EVAPORATOR Penelitian (eksperimen dan simulasi) untuk memprediksi kinerja falling film evaporator secara tepat
PENELITI TERDAHULU Peneliti Tahun Lingkup Penelitian Lonkar, dkk 1991 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 Tahun Lingkup Penelitian Palen, dkk 1994 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 Lingkup Penelitian Liang-Han Chien, dkk 2005 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 Tahun Lingkup Penelitian Bhargava, dkk 2008 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 Udara 25 19 27 21 22 17 35 26 16 29 30 1 2 15 8 9 10 11 12 13 24 14 3 4 34 28 33 7 Air Pendingin 18 32 20 31 6 5 23 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
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 r ASUMSI m& 0 m& 1 z R -δ R δ T W τ rz r τ rz r+δr 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 dr rz ) + ( ρ L ρ G ) gr = 0 (3.1) Dimana τ rz untuk fluida Newton : τ dvz rz = -μ (3.2) dr Boundary Condition : r = R δ τ rz = 0 r = R V z = 0 Sehingga didapat : ( ρ L ρ ) g 2 2 ( ρ G L ρg ) g 2 R V z = ( R r ) (( R δ ) ln )... (3.3) 4µ 2µ r v = 2π R R δ V z rdr... (3.4)
SISTEM PERSAMAAN Neraca Energi Pada film liquida V z ρ L Cp L T z TL r r r Boundary Condition : z = 0 T L = T lin L = k r L dt L (3.5) r = R δ q = -k L = h G (T L - T G ) + λ ky (Y AS - Y AG ) r = R q = q w dr
SISTEM PERSAMAAN Neraca Energi Pada udara Untuk aliran co-current : ρ G Cp G v G T G z 4 h + ( Ts T ) D Untuk aliran counter-current : ρ G Cp G v G T G z 4 h + G G Boundary Condition : z = L T G = T Gin (counter current) z = 0 T G = T G (co-current) G ( Ts T ) D G = 0...(3.6) = 0...(3.7)
SISTEM PERSAMAAN Neraca Massa Total : F z = k y πd Y ( Y ) AS AG.(3.8) Boundary Condition : z = 0 F = F in Neraca massa solute (komponen) dalam liquid F C = Fin C in.(3.9)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Data eksperimen : Qgas Qliquid Konsentrasi 4 100 0,106 110 0,106 120 0,106 6 100 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 382 381 380 Eksperimen Kurniawan-Irawan pada Qg = 4 m3/jam Simulasi pada Qg = 4 m3/jam Eksperimen Kurniawan-Irawan pada Qg = 6 m3/jam Simulasi pada Qg = 6 m3/jam Temperatur liquid,,tl (K) 379 378 377 376 375 374 373 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Posisi aksial,z (meter)
Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Temperatur Liquida bagian Interface Pada Aliran Udara Searah 374 372 Qlarutan=100 L/jam Qlarutan=110 L/jam Qlarutan=120 L/jam 370 Temperatur liquid d,tl (K) 368 366 364 362 360 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Posisi aksial,z (meter)
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 382 381 Qlarutan=100 L/jam Qlarutan=110 L/jam Qlarutan=120 L/jam 380 Temperatur liq quid,tl (K) 379 378 377 376 375 374 373 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Posisi aksial,z (meter)
Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Temperatur Liquida bagian Dinding Pada Aliran Udara Berlawanan Arah 382 381 Qlarutan=100 L/jam Qlarutan=110 L/jam Qlarutan=120 L/jam 380 Temperatur liq quid,tl (K) 379 378 377 376 375 374 373 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Posisi aksial,z (meter)
Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Distribusi Temperatur Gas 363.1 Pada Aliran Udara Searah 363 Temperatur gas s,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 1.4 1.6 1.8 2 Posisi axial,z (meter)
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 solu ut,xa 0.12 0.1 0.08 0.06 Q larutan=100 m3/jam Q larutan=110 m3/jam Q larutan=120 m3/jam 0.04 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Posisi aksial,z
Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Konsentrasi Pada Aliran Udara Berlawanan Arah 0.16 0.14 Konsentrasi solu ut,xa 0.12 0.1 0.08 0.06 Q larutan=100 m3/jam Q larutan=110 m3/jam Q larutan=120 m3/jam 0.04 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Posisi aksial,z (meter)
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 Konsentrasi solu ut,xa 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Posisi aksial,z (meter)
Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Distribusi Konsentrasi Pada Aliran Udara Berlawanan Arah 0.22 0.2 0.18 t,xa Konsentrasi solut 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 Q gas=4 m3/jam Q gas=6 m3/jam 0.04 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Posisi aksial,z (meter)
KESIMPULAN 1. Hasil simulasi mendekati hasil eksperimen dengan penyimpangan rata-rata untuk laju alir gas 4 m 3 /jam sebesar 10,26% dan untuk laju alir gas 6 m 3 /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 m 3 /jam sebesar 15,8% dan untuk aliran udara searah pada gas 4 m 3 /jam sebesar 12,5%.