SIMUASI PROSES EVAPORASI NIRA DAAM FAING FIM EVAPORATOR DENGAN ADANYA AIRAN UDARA Oleh : Ratih Triwulandari 2308 100 509 Riswanti Zawawi 2308 100 538 Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT Dr. Ir. Susianto, DEA
ATAR BEAKANG Evaporator adalah alat yang digunakan industri kimia untuk memekatkan suatu larutan. Penggunaan evaporator dapat meningkatkan efisiensi energi untuk operasi suatu pabrik dengan cara menggantikan tekanan vakum pada evaporator dengan menggunakan aliran gas inert. Penelitian ini menggunakan falling film evaporator karena memiliki waktu tinggal yang pendek, mempunyai koefisien transfer panas yang baik, dan membutuhkan ruang instalasi yang kecil.
KEEBIHAN FAING FIM EVAPORATOR Aplikasi waktu tinggalnya singkat dan digunakan untuk fluida sensitif terhadap panas Hanya dibutuhkan ruang yang kecil untuk penempatannya Digunakan untuk cairan dengan kandungan padatan rendah Koefisien perpindahan panas tinggi
PENEITIAN TERDAHUU G.D. Saravacos et al, (1970) mengadakan penelitian tentang prinsip kinerja falling film evaporator menggunakan macam-macam sistem larutan. M.Y. onkar S.K. Bhojaraj et al, (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. Palen, et al, (1994) mengadakan penelitian hubungan antara perpindahan panas dan perpindahan massa, untuk campuran biner ethylen glikol dan propilen glikol, pada tekanan atmosfer. Penelitian ini menggunakan distribusi film tipe plug flow melalui celah. Budhikarjono, et al (2006) mengadakan penelitian tentang perpindahan panas dan massa penguapan falling film campuran uap-gas methanol-air arah berlawanan. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa meningkatnya laju alir udara, perpindahan panasnya juga akan meningkat meskipun tidak signifikan. Tanjung, et al. (2009) mengadakan penelitian tentang analisa secara teoritis fenomena perpindahan panas dan massa pada falling film evaporator dengan sistem black liquor-udara dan menentukan model matematis dan penyelesaian numerik untuk memprediksikan kinerja falling film evaporator.
RUMUSAN MASAAH Mencari acuan dalam perhitungan secara teoritis tentang falling film evaporator dengan sistem nira-udara, dengan meninjau pengaruh beberapa variabel berikut : 1.aju alir larutan 2.aju alir udara 3.Konsentrasi awal nira
TUJUAN PENEITIAN Melakukan analisa secara teoritis tentang fenomena perpindahan panas dan massa pada falling film evaporator dengan sistem nira-udara. Menentukan model matematis dan penyelesaian numerik untuk memprediksikan kinerja falling film evaporator
SEKIAS tentang Nira Pada penelitian ini digunakan sistem yaitu proses evaporasi nira dalam falling film evaporator dengan adanya aliran udara. Nira adalah hasil dari proses penggilingan tebu pada pabrik gula. Nira merupakan larutan berwarna kuning kecoklatan. Pada industri gula, nira mentah hasil pemurnian diturunkan kadar airnya dengan cara penguapan hingga mencapai kekentalan yang diharapkan. Penguapan menggunakan evaporator yang berfungsi untuk menguapkan air sebanyak-banyaknya. Proses penguapan dilakukan pada tekanan vakum untuk menghindari terjadinya inverse karena pemanasan.
METODE-METODE YANG DAPAT DIGUNAKAN UNTUK MENINGKATKAN AJU PENGUAPAN FIM TIPIS (Hewit, et.al.,1993). Menaikkan suhu permukaan yang dipanasi, Tw Menurunkan tahanan panas film, misal dengan menaikkan koefisien perpindahan panas, h Menurunkan suhu permukaan cairan, Ts - uap murni : menurunkan tekanan total - campuran uap-gas : menurunkan tekanan parsial uap
FAING FIM EVAPORATOR ABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS Pada falling film evaporator, umpan mengalir ke bawah sebagai lapisan film pada bagian tube yang dipanasi dengan media pemanas (steam). Pemisahan uap dan cairan biasanya pada bagian bawah. Film larutan yang terbentuk tergantung pada gaya gravitasi, viskositas larutan serta kecepatan alir larutan. Panas dipindahkan secara konduksi dan konveksi. Falling film evaporator menghasilkan film yang tipis dan mengalir cepat, sehingga koefisien perpindahan panasnya lebih tinggi.
DIAGRAM AIR ANGKAH-ANGKAH PENEITIAN Mencari data sifat fisik dan sifat kimia dari bahan Mengembangkan model fenomena perpindahan panas dan massa pada proses penguapan dalam falling film evaporator yang berupa sistem persamaan differensial non linier. Menyusun algoritma penyelesaian persamaan differensial non linier Menyusun program penyelesaian dari masing-masing persamaan differensial menggunakan metode Runge-Kutta orde 4 dan finite difference dengan menggunakan software MATAB Melakukan interpretasi terhadap model yang diperoleh.
VARIABE PENEITIAN INPUT aju alir larutan aju alir udara Konsentrasi nira masuk OUTPUT Distribusi Tlarutan Distribusi Tgas Konsentrasi akhir produk Aliran laminar Tebal film rata ASUMSI Perpindahan panas konveksi pada arah axial 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
INPUT VARIABE aju alir larutan : 40 l/jam; 60 l/jam; 80 l/jam aju alir udara : 1 m 3 /jam; 2 m 3 /jam; 3 m 3 /jam Konsentrasi awal nira masuk : 11 %; 12 %; 14 % ABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
SISTEM PERSAMAAN YANG HARUS DISEESAIKAN r r r r T k r z R z R 1 z z T cp Vz r r r r T k z z z p T c Vz
SISTEM PERSAMAAN YANG HARUS DISEESAIKAN PERSAMAAN NERACA MOMENTUM 0 ) ( ) ( gr dr r d G rz (2.1) PERSAMAAN NERACA PANAS FIM IQUID r T r r r k z T c V P z (2.2)
SISTEM PERSAMAAN YANG HARUS DISEESAIKAN PERSAMAAN NERACA PANAS PADA FASE GAS Gcp G vg T z G h G Ts T 0 G (2.3) PERSAMAAN NERACA MASSA TOTA F z kyd( Y AS YAG ) (2.4) PERSAMAAN NERACA MASSA UAP AIR DAAM UDARA y z AG ky D( Y YAG ) AS (2.5)
Pengaruh aju Alir arutan Terhadap Distribusi Temperatur 380 Temperatur arutan (K) 376 372 368 Q larutan = 40 l/jam Q larutan = 60 l/jam Q larutan = 80 l/jam 364 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 Posisi Radial, r ' (m) Gambar 4.1 Hubungan antara temperatur larutan (K) dengan posisi radial,r (m) dengan laju alir gas 2 m 3 /jam, dan konsentrasi awal nira 11 %.
Pengaruh aju Alir arutan Terhadap Distribusi Temperatur 376 Temperatur arutan (K) 372 368 Q larutan = 40 l/jam Q larutan = 60 l/jam Q larutan = 80 l/jam 364 0 0.5 1 1.5 2 Posisi Axial, z (m) Gambar 4.2 Hubungan antara temperatur larutan (K) dengan posisi axial,z (m) pada bagian interface dengan laju alir gas 1 m 3 /jam, dan konsentrasi awal Nira 12 %. ABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
Pengaruh aju Alir arutan Terhadap Distribusi Temperatur 384 Temperatur arutan (K) 380 376 372 368 Q larutan = 40 l/jam Q larutan = 60 l/jam Q larutan = 80 l/jam 364 0 0.5 1 1.5 2 Posisi Axial, z (m) Gambar 4.3 Hubungan antara temperatur larutan (K) dengan posisi axial,z (m) pada bagian dinding kolom dengan laju alir gas 1 m 3 /jam, dan konsentrasi awal nira 12 %. ABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
Pengaruh aju Alir arutan Terhadap Distribusi Temperatur 382 Temperatur arutan (K) 380 378 376 374 Nira = 11 % Nira = 12 % Nira = 14 % 372 0 0.5 1 1.5 2 Posisi Axial, z (m) Gambar 4.4 Hubungan antara temperatur larutan (K) dengan posisi axial,z (m) pada bagian dinding kolom, dengan laju larutan 40 l/jam dan laju alir gas 1 m 3 /jam. ABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
Pengaruh aju Alir Gas Terhadap Distribusi Temperatur 370 Temperatur Gas (K) 368 366 364 Q gas = 1 m3/jam Q gas = 2 m3/jam Q gas = 3 m3/jam 362 0 0.5 1 1.5 2 Posisi Axial, z (m) Gambar 4.5 Hubungan antara temperatur gas (K) dengan posisi axial,z (m) dengan laju alir larutan 40 l/jam, dan konsentrasi awal nira 12 %. ABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
Pengaruh Konsentrasi arutan Keluar Terhadap Distribusi Temperatur larutan dan Temperatur Gas 13 Konsentrasi Nira (%) 12.8 12.6 12.4 12.2 12 0 0.5 1 1.5 2 Posisi Axial, z (m) Q larutan = 40 l/jam Q larutan = 60 l/jam Q larutan = 80 l/jam Gambar 4.6 Hubungan antara konsentrasi nira dan posisi axial,z (m) pada laju alir gas1 m 3 /jam dan konsentrasi awal nira 12 %. ABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
Pengaruh Konsentrasi arutan Keluar Terhadap Distribusi Temperatur larutan dan Temperatur Gas 13 Konsentrasi Nira (%) 12.8 12.6 12.4 12.2 12 0 0.5 1 1.5 2 Posisi Axial, z (m) Q gas = 1 m3/jam Q gas = 2 m3/jam Q gas = 3 m3/jam Gambar 4.7 Hubungan antara konsentrasi nira dan posisi axial,z (m) pada laju alir larutan 40 l/jam dan konsentrasi awal nira 12 %. ABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
Validasi Data Simulasi Dengan Eksperimen 15 Konsentrasi Akhir Nira (%) 14 13 12 11 10 0 1 2 3 simulasi eksperimen aju Alir Gas (m 3 /jam) Gambar 4.8 Hubungan antara konsentrasi akhir nira dengan laju alir gas pada laju alir larutan 80 l/jam dan konsentrasi awal nira 12 %. ABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
Dari penelitian yang telah dilakukan diperoleh hasil sebagai berikut : Kesimpulan 1. Penelitian ini menghasilkan suatu program komputer dalam MATAB yang dapat memprediksi distribusi temperatur liquida (T ), distribusi temperatur gas (T G ) dan distribusi konsentrasi (%) pada proses evaporasi larutan nira dalam falling film evaporator. Program komputer ini juga dapat memprediksi konsentrasi nira dalam aliran keluar evaporator untuk berbagai kondisi operasi. 2. Pada hasil penelitian konsentrasi nira keluar tertinggi pada tiap-tiap konsentrasi masuk adalah ketika laju alir larutan 40 l/jam dan laju alir gas 3 m 3 /jam diperoleh 11.561 % pada konsentrasi masuk 11 %; 12.605 % pada konsentrasi masuk 12 %; dan 14.698 % pada konsentrasi masuk 14 %. 3. aju alir udara memberikan pengaruh yang cukup signifikan terhadap konsentrasi produk. Dengan kenaikan laju alir udara dari 1 m 3 /jam sampai dengan 3 m 3 /jam dapat menaikkan konsentrasi larutan keluar dari 0,3% sampai 0,7%. 4. Hasil prediksi simulasi cukup dekat dengan data eksperimen dengan kesalahan rata-rata 13.009 %. ABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
Saran 1. Melakukan penelitian secara simulasi dengan aliran turbulen. 2. Melakukan simulasi falling film evaporator untuk fluida non- Newtonian. ABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
SEKIAN TERIMA KASIH
Hasil Analisa Nira Dari PG.Gempol Krep ABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
Aliran Udara Counter Current Udara 25 19 27 22 21 17 35 26 16 29 30 1 2 15 8 9 10 11 12 13 24 28 14 3 4 34 33 7 Air Pendingin 18 32 20 31 6 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