Evaporator Perancangan Alat Proses TK FT-UMJ
Tujuan Evaporasi • • •
Memekatkan larutan dengan menghilangkan pelarut (alat untuk memekatkan larutan fraksi cair ke fraksi berat = evaporator) Penghilangan air dari larutan encer, misal larutan encer gula, Sodium Khlorida, gliserol, susu, orange juice. Jika yang diinginkan larutan pekat, maka air yang dievaporasi Faktor yang mempengaruhi
1. Konsentrasi Cairan :Evaporasi Viskositas rendah maka koefisien transfer massa tinggi, viskositas tinggi maka koefisien transfer massa rendah 2. Kelarutan : akan meningkat dengan kenaikan temperatur, kristalisasi terjadi ketika larutan jenuh dalam keadaan panas didinginkan pada temperatur ruang 4. Foaming : susu skim dan larutan asam lemak membentuk busa selama boiling 5. Tekanan dan temperatur : tekanan operasi tinggi : titik didih tinggi 6. Terbentuknya kerak pada permukaan yang panas,
TYPES OF EVAPORATION EQUIPMENT 1.
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Open kettle or pan Horizontal-tube natural circulation evaporator Vertical-type natural circulation evaporator Long-tube vertical-type evaporator Falling-film-type evaporator Forced-circulation-type evaporator Agitated-film evaporator Open-pan solar evaporator
Open kettle or pan evaporator
-
Bentuk paling sederhana Murah Pengoperasian mudah Keekonomian jelek Kadang-kadang perlu pengadukan Pressure gauge
pan
Stea m
Jack et Boiler condensate
concentrat e
Horizontal-tube evaporator
vapo ur
Dilute feed
- Murah - Digunakan untuk cairan non viscous mempunyai koef transfer panas tinggi - Digunakan untuk cairan yang tidak membentuk deposit kerak - Sirkulasi cairan tidak baik - Tidaksesuai untuk cairan viscous
Stea m inlet
condensa te
Concentrate product
Vertical-type short-tube evaporator - Liquid di dalam tube - Steam terkondensasi di luar tube - Digunakan untuk cairan non viscous dengan koef transfer panas tinggi, - tidak membentuk scale
FIGURE 8.2-1. Different types of evaporators: (c) long-tube vertical type, (d) forced-circulation type.
Falling-filmtype evaporator salah satu jenis alat untuk proses penguapan yang diklasifikasikan dalam kelas long tube vertikal evaporator berasamasama dengan climbing film evaporator. Sedangkan berdasarkan tipe pemanasan dapat diklasifikasikan ke dalam sistem pemanasan dipisahkan oleh dinding pertukaran panas yaitu antara lain jenis kolom kalandria dan shell and tube
• ukuran Kinerja evaporator tubular adalah kapasitas dan ekonomi: • Kapasitas : jumlah massa solven (air) yang mampu diuapkan per satuan waktu • Ekonomi : massa solven atau air yang diuapkan per satuan massa steam yang digunakan • Pada evaporator tunggal (single effect) ekonomi < 1.0, tetapi pada multi effect evaporator >> • Konsumsi steam, massa /waktu, menjadi ukuran yang penting juga dalam perancangan. Hal ini setara dengan kapasitas dibagi dengan ekonomi.
Metode pengoperasian evaporator Single-effect evaporation - Uap dari cairan yang menguap dikondensasikan dan dibuang.. - Sederhana tetapi pemanfaatan steam tidak efektif - Untuk mengevaporasi 1 kg air dari larutan dibutuhkan 1-1.3 kg steam Multiple-effect evaporation Peningkatan evaporasi per kg steam dengan menggunakan serangkaian evaporator Diantara suplai steam dan kondensor disebut multiple effect evaporation
. Simplified diagram of forward -feed triple-effect evaporator. Jika umpan efek 1 mendekati titik didihnya, maka 1 kg steam akan menguapkan 1 kg air Efek 1 beroperasi sehingga air yang teruapkan dapat digunakan sebagai media pemanas efek kedua dst, kira-kira 3 kg air teruapkan oleh I kg steam Sehingga keekonomian (kg vapor evaporated/kg steam used) meningkat
Simplified diagram af backward-feed triple-effect evaporator. fresh feed masuk dari efek terakhir dan terdingin, secara kontinyu sampai dengan jenuh di efek 1. Metode ini digunakan jika umpan dalam keadaan dingin dan akan dipanaskan pada efek 2 dan 3. Pompa digunakan untuk menaikkan tekanan di tiap efek. Metode ini dipakai jika produk jenuh sangat viscous. Kenaikan temperatur akan mengurangi viskositas
Calculation methods for single-effect evaporators Vapour, V yV, T1, HV
Feed, F xF, TF, hF Steam, S PS, TS, HS
Condensat e, S PS, TS, hS Concentrate ,L xL, T1, h
Steam: S – mass flow rate PS – steam pressure TS – steam temperature HS – enthalpy of steam hS – enthalpy of condensate
Feed: F – mass flow rate XF – mass fraction of solute in feed TF – temperature of feed hF – enthalpy of feed Vapour leaving the evaporator: V – mass flow rate yV – mass fraction of solute in vapour Tv – temperature of vapour HV– enthalpy of vapour Concentrate leaving the evaporator: L –mass flow rate xL –mass fraction of solute in concentrate T1 –temperature of concentrate hL– enthalpy of concentrat
P – pressure in the evaporator T1 – temperature in the evaporator
Calculation methods for single-effect evaporators
Feed, F xF, TF, hF
P, Steam, S T
Vapour, V yV, T1, HV Condensat e, S PS, TS, hS
PS, TS, HS
Concentrate ,L xL, T1, h
Overall material balance: F=L+V Solute balance: F xF = L xL + If V the yV vapour is free of solute: F xF = L xL Heat balance: F hF + S HS = L hL + V HV + S hS Rewriting: F hF + S (HS - hS) = L hL+ V HV F hF + Sλ = L hL + V HV where λ = HS - hS
Neraca Massa & Energi Evaporator NE Steam Side Qs = ms (Hs-Hc) = ms s Stea m, ms, Hs
Kodensat, Ms, Hc
Feed, mf, Hf
VL Separato r
Uap mf-m, Hv
NE Liquid Side Q = (mf-m) Hv – mf Hf+ mH Qs = Q Q = ms s = (mf – m) Hv – mf Hf + m H
Thick Liquor, m,H
Energy lost by the steam q = Sλ = S (HS –hs)
Overall Heat Transfer Coeff in Evaporators (U)
1. 2. 3. 4.
Perhitungan Evaporator Single Neraca MassaEffect dan Panas di evaporator Pengaruh variabel proses pada pengoperasian evaporator Boiling-Point Rise of Solutions Enthalpy - Concentration Charts of Solutions
Heat and Material Balances for Evaporators • The basic equation for solving for the capacity of a single-effect evaporator is Eq. (8.2-1), which can be written as
where ΔT (K, oF) is the difference in temperature between the condensing steam and the boiling liquid in the evaporator. • In order to solve Eq. (8.4-1) the value of q in W (btu/h) must be determined by making a heat and material balance on the evaporator shown in Fig. 8.4-1.
FIGURE 8.4-1 evaporator
Heat and mass balance for single-effect
• The feed to the evaporator is F kg/h (lbm/h) having a solids content of xF mass fraction, temperature TF, and enthalpy hF J/kg (btu/lbm). • Coming out as a liquid is the concentrated liquid L kg/h (lbm/h) having a solids content of xL, temperature T1, and enthalpy hL. • The vapor V kg/h (lbm/h) is given off as pure solvent having a solids content of yv = 0, temperature T1, and enthalpy Hv. • Saturated steam entering is S kg/h (lbm/h) and has a temperature of TS and enthalpy of HS. • The condensed steam leaving of S kg/h is assumed usually to be at TS, the saturation temperature, with an enthalpy of hS. • This means that the steam gives off only its latent heat, λ, where: λ = H S – hS (8.4-2)
• Since the vapor V is in equilibrium with the liquid L, the temperatures of vapor and liquid are the same. • Also, the pressure P1 is the saturation vapor pressure of the liquid of composition xL at its boiling point T1. (This assumes no boilingpoint rise.) • For the material balance, since we are at steady state, the rate of mass in = rate of mass out. Then, for a total balance, F=L+V
(8.4-3)
• For a balance on the solute (solids) alone, F xF = L x L
(8.4-4)
• For the heat balance, since the total heat entering = total heat leaving, heat in feed + heat in steam = heat in concentrated liquid + heat in vapor + heat in condensed steam (8.4-5) • This assumes no heat lost by radiation or convection. Substituting into Eq. (8.4-5),
Substituting Eq. (8.4-2) into (8.4-6),
• The heat q transferred in the evaporator is then
• In Eq. (8.4-7) the latent heat λ of steam at the saturation temperature TS can be obtained from the steam tables in Appendix A.2. • However, the enthalpies of the feed and products are often not available; these enthalpy concentration data are available for only a few substances in solution.
Contoh : Sebuah evaporator digunakan untuk memekatkan larutan NaOH sebanyak 20.000 lb/jam (9.070 kg/jam) dari konsentrasi 20% menjadi 50% padatan. Steam jenuh dengan tekanan 20 lbf/in2 (1.37 atm) digunakan sebagai pemanas. Evaporator beroperasi pada tekanan vakum, dengan tekanan absolute pada ruang uap evaporator adalah 100 mm Hg ( 1.93 lbj/in2. Koefisien Perpindahan panas overall 250 Btu/ft2 —jam-F (1400 W/m2 C). Temperatur umpan 100 F (37.8 C). Hitung jumlah steam, ekonomi dan luas perpindahan panas yang dibutuhkan .
Penyelesaian : Jumlah air yang harus diuapkan, diperoleh dari Neraca Massa Umpan mengandung air = 80 /20 = 4 lb air /lb solid (bebas air); Pada larutan pekat keluar (thick liquor) = 50/50 = 1 lb air / lb solid (bebas air) Jumlah air yang diuapkan = 4 – 1 = 3 lb air/lb solid Sehingga Jumlah air yang harus diuapkan : 3 x 20.000 x 0.20 = 12.000 lb/jam Jumlah larutan pekat hasil evaporasi : flow rate thick liquor = 20.000-12.000 = 8000lb /j Konsumsi steam : Dari grafik 16-4 (Duhring line) temperatur penguapan 50% larutan pada tekanan 100 mmHg = 197 F memotong di air murni 100 mmHG Dari Tabel uap pada suhu didih air murni tekanan 100 mmHg = 124 F
Entalpi umpan dan larutan pekat dapat ditentukan dengan menggunakan grafik 16-8 Umpan 20% solid, 100 F Hf = 55 Btu/lb Larutan pekat 50% solid, 197 F Hl = 221 Btu/lb Entalpi uap hasil evaporasi (superheated) pada 100 mmHg (1.93 lbf/in2) dan 197 F, Hv = 1149 Btu/lb Panas laten penguapan pada 20 lbf/in2 dari Tabel uap s = 939 Btu/lb Panas yang ditransfer menggunakan persamaan 16-4 Mc Cabe = (20.000-8.000) x 1149 – 20.000 x 55 + 8000 x 221 = 14.456.000 Ekonomi : Btu/j Jumlah steam yang dibutuhkan Ekonomi Evaporator = 12000 lb:Steam yang ms = 14.456.000/939 = 15.400 lb/jam (6990 kg / j) diproduksi / 15400 lb steam = 0.78 Luas perpind panas, A = qs 930 ft2 (86.4 m2)
= 14.456.000 U (Ts-T)
=
250x(259-197)
Perhitungan Evaporator Multiple effect Pada prinsipnya evaporator multi effect, misal triple effect, uap dari satu effect digunakan sebagai media pemanas effect berikutnya. Untuk pengoperasian vakum bisa digunakan ejector (steam jet ejector untuk evap multieffect) yaitu berupa nozzle dengan rasio ukuran diameter tertentu dan dibantu dengan kondensor untuk mengurangi beban alat pembuat vakum, yaitu mengurangi jumlah uap dengan cara mengembunkan dalam kondensor. Effect 1 dari multiple effect evaporator: umpan merupakan raw steam, P vapor space tertinggi dan effect terakhir terendah Beban Panas efek 1 : q1 = A1 U1 T1 Beban Panas efek 2 : q2 = A2 U2 T2 Beban Panas efek 3 : q3 = A3 U3 T3 Pada umumnya luas area pemanasan pada multi effect evaporator adalah sama, sehingga q1=q2=q3 U1 T1= U2 T2= U3 T3=q/A Mc Cabe 430
Tahapan perhitungan multiple effect evaporator 1. Asumsikan titik didih efek 1 dan 2 2. Dari Neraca Entalpi tentukan aliran steam dan liquor dari efek ke efek 3. Hitung beban panas tiap efek Jika luas area tidak sama, asumsikan titik didih lain, dan ulangi 2-3 x untuk mendapatkan A yang sama
Duhring lines for aqueous solutions of sodium hydroxide
Enthalpy concentration chart for the system NaOH water
Contoh Soal : 5-5 Badger Banchero Intr to Chemical Eng Evaporator triple effect digunakan untuk memekatkan NaOH dari konsentrasi 10% menjadi 50% sebanyak 10.000 lb/jam. Suhu umpan 100 F dengan laju 5 ton NaOH per jam Steam pemanas pada kondisi 236 F dan 23,2 psi, vakum pada 28 in. Koefisien transfer panas U1 = 1100; U2 = 600, U3 = 400. Aliran umpan Forward. Asumsi : kondensat pada temperature jenuh steam. Berapa Heating Surface?
Jawab : Diketahui data : ts = 236 F tf = 100 F xf = 0,10 x3 = 0,50 Dari Steam Table : hf = 60 Btu/ lb hs = 1159 Btu/lb (latent heat =955 Btu/lb) h3 = 202 Btu/lb Temperatur Jenuh (air) pada efek III = 101 F Berat feed, liquor, evaporation F = 10.000 = 100.000 lb/jam 0,10 L3= 10.000 = 20.000 lb/jam 0,50 Evaporation = 80.000 lb/jam = V1 + V2 + V3 Untuk mengetahui penurunan temperature perlu diketahui titik didih dan konsentrasi tiap-tiap efek. Asumsi awal evaporasi I < 1/3 total evaporasi, evaporasi II < 1/3. Teruapkan 80.000/3 = 26.670 lb, V efek I = 25.500 lb V efek II = 26.700 lb V efek III= 27.800 lb
F = 100.000 lb/j xf =0,1 V1 = 25.500 lb/j L1 = 74.500 lb/j x1 = 0,1 x (100.000/74.500) = 0,134 V2 = 26.700 lb/j L2 = 47.800 lb/j x2 = 0,1 x (100.000/47.800) = 0,218 V3 = 27.800 lb/j L3 = 20.000 lb/j x3 = 0,5 Efek 3: x3 = 0,5, td H2O = 101, td NaOH = 171 (grafik 16.8) Efek 2: x2 = 0,218, td H2O (asumsi) = 101, td NaOH = 171 Efek 3: x3 = 0,134 td H2O = 101, td NaOH = 171 Dari Heat Balance dpt dihitung V1 = 26.400 lb V2 = 27.300 lb V3 = 26.300 lb Sehingga didapatkan S = 38.800 lb, heating surface tidak sama, maka trial diulang dengan menurunkan t, hasil perhitungan heating surface hamper sama.
Barometric Condensor • digunakan dalam berbagai industri untuk meningkatkan keekonomian, yaitu untuk menghilangkan udara, exhaust steam, dan uap lainnya dari alat dalam kondisi vakum. • Digunakan dalam industri makanan untuk pengolahan minyak nabati , susu, refining gula, alkohol, pulp dan kertas , kilang minyak , pembuatan garam . • Barometric Kondensor ditemui hampir di setiap industri Kimia dan Proses yang menggunakan vacuum stills, calandria pans, multiple-effect evaporators, vacuum crystallizers, high-vacuum water dan process cooling equipment.
Each effect basically includes: a vertical tubenest; a liquid vapor separation chamber and a recirculation pump The Evaporator operates under vacuum, which is maintained by a barometric condenser connected to the evaporator’s last effect and to a vacuum pump,
Sistem kontrol evaporator
Level control in evaporator. Pressure control loop for evaporating unit. 1, 2 - evaporating units; 3 - barometric condenser.
Example 8.4.3 Geankoplis : An evaporator is used to concentrate 4536 kg/h of a 20%NaOH solution entering at 60ºC to a product of 50% solids.The pressure of the saturated steam used is 170 kPa and thevapor space pressure of the evaporator is at 12 kPa. Theoverall coefficient U is 1560 W/m Calculate the steam used, the steam economy (in kg vapourized / kg steam used) and the heating surface area.
Sumber : Geankoplis, Transport Processes and Unit Operations R. Shanthini, 2012 Lectures-13to15Evaporation
