Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2010 PERPINDAHAN PANAS DAN MASSA DI DALAM FALLING FILM EVAPORATOR CAMPURAN BLACK LIQOUR-UDARA Dosen Pembimbing : 1. Prof.Dr.Ir Kusno Budhikarjono, M.T 2. Dr.Ir Susianto, DEA Disampaikan oleh : Fitri kurniawan Farandy irawan (2306 100 010) (2306 100 105)
PENDAHULUAN PENDAHULUAN
Latar Belakang Black Liquor merupakan produk samping dari proses pembuatan pulp pada industri kertas. Black liquor adalah cairan yang didalamnya terkandung lignin dan zat-zat pengotor dari kayu. Sumber : www.knowpulp.com/english/demo/english/pulping/cooking/1_process/1_principle/mustalip_koost.html
Latar Belakang Pada industri kertas, black liquor dipekatkan dengan menggunakan evaporator, selanjutnya dibakar pada recovery boiler dimana kandungan bahan organiknya terdekomposisi menjadi carbon doiksida (CO 2 ) dan air (H 2 O) sedangkan kandungan bahan anorganik seperti garam natrium dan garam sulfat terkonversi menjadi leburan natrium karbonat (Na 2 CO 3 ) dan natrium sulfat (Na 2 S) yang diteruskan menuju proses berikutnya.
Latar Belakang
Latar Belakang Dalam industri kertas, teknologi yang biasa digunakan dalam mengevaporasikan black liquor adalah rising film evaporator Dengan rising film, kerak kerap kali terbentuk karena tertahannya black liquor lewat panas cukup lama didalam evaporator Penelitian mengenai falling film evaporator untuk diaplikasikan di industri kertas mulai dikembangkan
Latar Belakang Pada umumnya proses evaporasi berlangsung dalam kondisi vakum yang bertujuan untuk menurunkan suhu didih larutan Pada penelitian ini digunakan aliran gas inert (udara) sebagai pengganti kondisi vakum, untuk meminimalkan biaya energi untuk operasi suatu pabrik
Peneliti Terdahulu Peneliti Tahun Lingkup Penelitian 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. Kesimpulan yang diperoleh adalah koefisien perpindahan panas untuk campuran tidak terlalu tergantung pada suhu dinding dan bilangan Reynolds tetapi sangat tergantung pada komposisi campuran Lailatul, et al 2000 mengadakan penelitian tentang pengaruh laju alir, dan konsentrasi terhadap koefisien perpindahan panas untuk larutan gula. Penelitian ini dilakukan pada tekanan atmosferik. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa koefisien perpindahan panas tergantung pada laju alir dan konsentrasi larutan.
Peneliti Terdahulu Peneliti Tahun Lingkup Penelitian Fang C. Chen, Zhiming Gao 2003 Menganalisa falling film evaporator untuk larutan black liquor. Hasilnya, Falling film evaporator lebih efektif mengurangi terjadinya kerak black liquor dibandingkan dengan rising film evaporator. Kusno Budhikarjono, et al 2006 Meneliti Perpindahan Panas dan Massa Penguapan Falling Film untuk Campuran Uap Gas. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa meningkatnya laju alir udara, perpindahan panas dan massanya juga akan meningkat meskipun tidak signifikan Aries Arthanto dan Ferry Yoga MT 2007 Meneliti Perpindahan Panas dan Massa Falling Film Evaporator untuk Sistem Larutan CMC (Carboxy Methyl Cellulose) Udara. Laju liquida dan laju udara naik, maka Koefisien perpindahan panas ikut naik ; Konsentrasi liquida naik, perpindahan panas akan turun.
Peneliti Terdahulu Peneliti Tahun Lingkup Penelitian Bhargava, et al 2007 Mengadakan simulasi tentang flat falling film evaporator untuk larutan black liquor. Diperoleh model yang mampu memprediksikan konsentrasi dan perbedaan temperatur liquor dengan error sekitar -0.2 hingga 0.4% Johansson, et al 2008 Mempelajari kondisi hydrodynamic dari black liquor saat diuapkan dengan falling film evaporator. Hasil yang diperoleh pada saat proses berlangsung black liquor banyak menghasilkan busa. Dimana busa mempengaruhi laju dari perpindahan panas. Gallilea Tanjung dan 2009 Mengadakan Simulasi Falling Film Evaporator Reino Arif dengan Sistem larutan Black liquor Udara. Hasilnya, perpindahan panas tergantung dari laju alir larutan, semakin besar laju alir larutan semakin besar perpindahan panasnya ; Perpindahan panas tergantung dari laju alir gas, Right Writing to semakin Create Your besar Gold laju Step alir gas semakin kecil temperatur gas.
Rumusan Masalah Ingin dikembangkannya penelitian yang berhubungan dengan falling film evaporator sistem uap-gas, terutama untuk larutan-larutan yang berkaitan dengan dunia industri. Penelitian ini dilakukan secara eksperimen dengan menggunakan larutan black liquor.
Tujuan dan Manfaat Penelitian o Tujuan penelitian Penelitian ini dilakukan untuk mengevaluasi pengaruh laju alir udara, laju alir black liquor, dan arah aliran udara terhadap koefisien perpindahan panas dan massa di dalam falling film evaporator. Serta menentukan persamaan empiris koefisien perpindahan panas dan massa. o Manfaat Penelitian Penelitian ini bermanfaat sebagai alternatif menekan biaya operasi dan adanya kebocoran terutama bagi industri kertas yang masih menggunakan evaporator alat vakum dengan cara menggantikannya dengan aliran udara
Batasan Masalah Menentukan koefisien perpindahan panas dan massa pada falling film evaporator dengan menggunakan distribusi overflow weir, dimana udara dialirkan searah (cocurrent) dan berlawanan arah (counter current)dengan aliran black liquor yang dibatasi dengan tinjauan sebagai berikut : 1. Laju alir Black Liquor 2. Laju alir udara 3. Arah aliran udara
METODOLOGI PENELITIAN METODOLOGI PENELITIAN
Tahapan Penelitian Secara keseluruhan penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan yaitu : Persiapan peralatan Penelitian Pengamatan Perhitungan
Skema peralatan Peralatan dirangkai dalam 2 skema, yaitu; 1. Untuk penelitian dengan aliran udara searah 2. Untuk penelitian dengan aliran udara berlawanan arah
Berikut adalah peralatan tambahan yang di pergunakan dalam penelitian : 1. Termokopel tipe K 2. Rotameter 3. Manometer 4. 1 unit data taker beserta 1 unit personal computer 5. 1 buah piknometer dan neraca analitis (timbangan) 6. 1 unit pengukur viskositas (Oswalt)
Variabel Penelitian o Laju alir umpan Black Liquor : 0.10 m 3 /jam, 0.11 m 3 /jam, 0.12 m 3 /jam, 0.13 m 3 /jam, 0.14 m 3 /jam, 0.15 m 3 /jam, 0.16 m 3 /jam o Laju alir Udara : 0 m 3 /jam, 1 m 3 /jam, 2 m 3 /jam, 3 m 3 /jam, 4 m 3 /jam, 6 m 3 /jam, o Arah alir Udara : Berlawanan arah, Searah
Skema Tahapan Penelitian Mulai Mulai Alirkan udara dari kompresor Larutan Black Liquor Panaskan hingga sama dengan suhu produk keluar evaporator Isi lar. ke tangki umpan Panaskan hingga sama dengan suhu produk keluar evaporator Alirkan ke evaporator dengan laju alir sesuai variabel Alirkan ke tangki overflow Dengan Aliran Searah / berlawanan Alirkan ke evaporator dengan laju alir sesuai variabel Pengamatan data Perhitungan data Akhir
Tahap Perhitungan Buat kurva kalibrasi rotameter udara dan cairan Hitung suhu dinding ratarata, ΔT w rata-rata Hitung laju alir massa umpan, F dan produk, P Hitung bilangan tak berdimensi (N Re,L, N Re,G, N Pr, N Nu ) Hitung koefisien perpindahan massa, β Hitung bilangan tak berdimensi (N Sc, N Sh ) Hitung fluks panas, Q Hitung koefisien perpindahan panas, h Hitung harga konstanta untuk kolerasi perpindahan panas, perpindahan massa, dan perpindahan panas dan massa simultan dengan regrasi linear
HASIL PENELITIAN dan PEMBAHASAN METODOLOGI PENELITIAN
Koefisien perpindahan panas, hi (kw/m 2.K) Pengaruh Laju Alir Liquida 1.740 1.720 1.700 1.680 1.660 1.640 1.620 1.600 1.580 1.560 1.540 1.520 1.500 80 100 120 140 160 Laju alir black liquor (l/jam) udara 0 m3/jam udara 1 m3/jam udara 2 m3/jam udara 3 m3/jam udara 4 m3/jam udara 6 m3/jam Kurva koefisien perpindahan panas vs laju alir black liquor pada aliran udara belawanan arah
Koefisien perpindahan panas, hi (kw/m 2.K) Pengaruh Laju Alir Udara 1.750 1.730 1.710 1.690 1.670 1.650 1.630 1.610 1.590 black liquor 100 l/jam black liquor 110 l/jam black liquor 120 l/jam black liquor 130 l/jam black liquor 140 l/jam black liquor 150 l/jam black liquor 160 l/jam 1.570 1.550 0 1 2 3 4 5 6 7 Laju alir udara (m 3 /jam) Kurva koefisien perpindahan panas vs laju alir udara pada aliran udara berlawanan arah
Koefisien perpindahan panas, hi (kw/m 2.K) Pengaruh Arah Aliran Udara 1.740 1.720 1.700 1.680 1.660 1.640 1.620 1.600 black liquor 110 l/jam - berlawanan arah black liquor 110 l/jam - searah black liquor 160 l/jam - berlawanan arah black liquor 160 l/jam - searah black liquor 130 l/jam - berlawanan arah black liquor 130 l/jam - searah 1.580 0 1 2 3 4 5 6 7 Laju alir udara (m 3 /jam) Kurva koefisien perpindahan panas vs laju alir udara pada aliran black liquor 110 l/jam, 130 l/jam dan 160 l/jam
Korelasi Empiris NRe,L percobaan : 605-1500 (laminar) 1500-1771 (transisi) A. Aliran udara berlawanan arah Perpindahan Panas h k L L 2 L G g 1/3 0.15587 Re, l 0.0041N N 1.36693 Pr (tanpa udara) h k L L 2 L G g 1/3 0.21912 0.98250 0.01116 0.0036NRe, l NPr NRe, G (udara)
Korelasi Empiris Perpindahan Massa N Sh 0.4587 1.2408 0.0001N Re, l NSc (tanpa udara) N Sh 0.4465 1.03015 0.11116 0.00017NRe, l NSc NRe, G (udara) B. Aliran udara searah Perpindahan Panas h k L h k L L L 2 L 2 L G G g g 1/3 1/3 0.19868 Re, l 0.02938N N 0.043 Pr 0.1961 0.9616 0.00577 0.0045N Re, l NPr NRe, G (tanpa udara) (udara)
Rumusan Masalah Perpindahan Massa N Sh 0.5139 1.063 0.000108NRe, l NSc (tanpa udara) N Sh 0.5128 0.8749 0.0211 0.000312NRe, l NSc NRe, G (udara)
KESIMPULAN METODOLOGI PENELITIAN
Kesimpulan Dari eksperimen untuk perubahan laju alir black liquor : Laju alir : 100 l/jam Laju alir : 130 l/jam hi : 1.569 kw/m 2.K hi : 1.605 kw/m 2.K Laju alir : 160 l/jam hi : 1.679 kw/m 2.K Disimpulkan : Laju alir black liquor naik, koefisien perpindahan panas naik.
Kesimpulan Dari eksperimen untuk perubahan laju alir udara : Laju alir : 0 m 3 /jam Laju alir : 3 m 3 /jam hi : 1.569 kw/m 2.K hi : 1.570 kw/m 2.K Laju alir : 6 m 3 /jam hi : 1.571 kw/m 2.K Disimpulkan : Laju alir udara naik, koefisien perpindahan panas naik, namun tidak terlalu signifikan.
Kesimpulan Dari eksperimen untuk perubahan arah aliran udara : Belawanan arah Searah hi : 1.725 kw/m 2.K hi : 1.709 kw/m 2.K Disimpulkan: Aliran udara berlawanan arah menghasilkan koefisien perpindahan panas yang relatif lebih besar dibandingkan dengan aliran searah.
Penutup Atas perhatiannya Terima Kasih
Aliran Udara co-current 25 Udara 19 27 22 21 17 35 16 26 29 30 1 2 8 9 10 11 12 13 24 28 15 14 3 4 7 18 32 20 31 6 5 Kerterangan : 33 Air Pendingin 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 34 23
Aliran Udara counter current Kerterangan : Udara 25 19 27 22 21 17 35 26 16 29 30 1 2 15 8 9 10 11 12 13 24 28 14 20 3 4 33 7 Air Pendingin 18 32 31 6 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 34 5 23