ALAT INDUSTRI KIMIA - B NOVEL EVAPORATOR
Disusun Oleh: Nurachim Fitri Marshella
(11/319100/TK/38232)
Putri Desty Amelia
(12/330062/TK/39253)
Daniel Christianto Setyo P.
(14/363234/TK/41412)
Fajar Ramadhani
(14/367067/TK/42319)
Dosen Pembimbing: Ir. Wahyu Hasokowati, M.A.Sc.
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2016
NOVEL EVAPORATOR A. Rising/Climbing Film Evaporator Prinsip alat ini sama dengan long tube vertical evaporator, hanya alat pemanas dan pemisah uap terpisah. Umpan cairan masuk dalam tube dari sisi bawah sedangkan steam mengalir pada shell. Cairan umpan diuapkan dalam pipa hingga dihasilkan gelembunggelembung uap yang bergerak ke atas dan membawa sejumlah cairan. Gerakan gelembung ke atas yang cepat akan menggerakkan cairan dengan cepat, sehingga waktu tinggal dalam daerah pemanasan cukup singkat. Hal ini penting, terutama jika cairan yang diuapkan peka terhadap panas. Campuran uap dan cairan akan dipisahkan dalam siklon. Uap dapat dianggap tidak mengandung padatan terlarut, meskipun pada kenyataannya kadang-kadang mengandung padatan terlarut akibat percikan atau butiran cairan yang terbawa aliran uap.
Gambar 1. Climbing film evaporator
Climbing film evaporator harus dioperasikan pada kisaran suhu 26-100 ºC dan menguapkan air pada kisaran 450-16.000 kg/jam. Kapasitas evaporator ini tergantung dari temperatur yang digunakan. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, evaporator jenis ini membutuhkan ketinggian minimal 4 meter. Kelebihan dan Kekurangan a) Kelebihan 1) Waktu tinggal rendah Hal ini sangat penting karena memungkinkan penggunaan evaporator pada suhu operasi yang lebih tinggi dan memberikan jaminan kualitas produk yang tinggi meskipun produk sensitif terhadap panas. 2) Koefisien perpindahan panas lebih besar Hal ini penting karena mengurangi area perpindahan panas yang akan menurunkan biaya modal awal evaporator. Hal ini ditekankan oleh fakta bahwa komponen yang terdiri dari shell dan tabung mudah didapat, dengan desain disesuaikan, yang membuat biaya yang efektif untuk konstruksi dan ideal untuk kebutuhan penguapan sederhana. 3) Cocok untuk material yang sensitif terhadap panas. b) Kekurangan 1) Pressure drop tinggi Pada rising film evaporator, pressure drop lebih tinggi dibanding falling film evaporator, sehingga daya yang dibutuhkan untuk mengalirkan cairan lebih besar. 2) Hanya untuk produk dengan viskositas rendah Keterbatasan utama dari rising film evaporator adalah hanya bisa digunakan untuk produk dengan viskositas rendah dan memiliki kecenderungan fouling minimal. Aplikasi di Industri a) Sebagai reboiler dalam kolom distilasi. b) Sebagai pre-konsentrator atau flash evaporator yang dirancang untuk menghilangkan komponen volatil sebelum proses stripping. c) Sebagai alat desalinasi air laut. d) Sebagai konsentrator untuk jus, susu dan produk susu lainnya yang merupakan produk yang memerlukan penanganan halus dalam industri makanan.
B. Falling Film Evaporator Pada falling film evaporator, cairan mengalir ke bawah berbentuk film di permukaan dalam tabung karena gaya gravitasi dan gesekan uap yang juga mengalir ke bawah. Steam pemanas mengalir dalam shell/di luar pipa. Alat ini dianggap cocok untuk evaporasi bahanbahan yang sensitif terhadap panas dan suhu tinggi, misalnya susu.
Gambar 2. Falling film evaporator
Pada falling film evaporator, luas permukaan transfer panas tiap volume cairan dalam evaporator sangat besar. Artinya, perbandingan luas transfer panas tiap volume cairan dalam evaporator sangat tinggi. Luas transfer panas yang besar menyediakan fasilitas untuk perpindahan panas yang besar, sedangkan volume cairan dalam evaporator yang kecil berarti waktu tinggal cairan dalam evaporator kecil sehingga kerusakan bahan dapat diminimalkan. Evaporator masa kini umumnya harus bekerja dengan beda suhu pemanas dan cairan (Δt) yang kecil, dalam rangka memaksimumkan pemakaian kembali panas yang dibawa oleh uap yang terbentuk. Nilai Δt yang kecil ini mengakibatkan konveksi alamiah (natural convection) tidak berjalan dengan baik, sehingga evaporator yang bekerja berdasarkan konveksi alamiah tidak cocok digunakan. Dengan falling film evaporator, meskipun Δt kecil, gerak cairan tetap baik karena adanya gaya berat, sehingga nilai koefisien transfer panasnya tetap tinggi, meskipun Δt-nya kecil. Beda suhu (Δt) yang kecil akan mengakibatkan luas transfer panas yang diperlukan menjadi besar, sesuai dengan persamaan:
A
Q U .t
dengan A = luas transfer panas Q = jumlah panas yang ditransfer U = koefisien perpindahan panas overall Jika penambahan A dilakukan dengan penambahan jumlah lubang, maka jumlah cairan yang melewati tiap pipa akan terlalu sedikit. Hal ini mengakibatkan ada sebagian permukaan pipa yang tidak tertutup cairan, atau tertutup cairan dengan ketebalan terlalu kecil. Akibat kecepatan penguapan yang besar, dapat terjadi pemadatan di permukaan pipa (susu menjadi rusak) dan pada akhirnya terjadi scaling (pengotoran). Jadi, penambahan luas permukaan sebaiknya dilakukan dengan memperpanjang pipa, bukan dengan menambah jumlah pipa. Mengingat jumlah cairan yang lewat pipa tidak boleh terlalu kecil, maka kapasitas operasi falling film evaporator tidak boleh diubah/dikurangi terlalu banyak, sehingga evaporator jenis ini kurang fleksibel terhadap perubahan kapasitas operasi. Pada falling film evaporator, distribusi cairan masuk ke semua pipa perlu diperhatikan dengan cermat. Ada dua sistem distribusi cairan ke dalam pipa, yaitu: a) Sistem dinamis Distribusi aliran dicapai dengan penyemburan melalui nozzle, dan juga diakibatkan oleh flashing (penguapan cepat) dari cairan keluar nozzle. Penyemburan oleh nozzle ini didorong oleh pressure drop pada nozzle, yang nilainya dipengaruhi oleh jumlah cairan yang lewat. Jika cairan yang lewat makin banyak, pressure drop akan makin besar, sehingga penyemburan akan makin baik. Sistem dinamis tidak bisa mengakomodasi penurunan kapasitas, karena dengan turunnya kapasitas, pressure drop pada nozzle juga akan turun sehingga penyemburan akan berjalan kurang baik dan distribusi cairan tidak berjalan sempurna. Di samping itu, dengan Δt kecil pada evaporator modern, efek flashing juga kecil sehingga tidak dapat membantu distribusi aliran. b) Sistem statis Pada sistem statis, umpan cairan lewat jenuh mula-mula terpisah dari uapnya akibat flashing. Cairan masuk ke pelat distributor di atas ujung-ujung pipa. Tinggi cairan di atas pelat distributor dijaga pada level tertentu. Cairan mengalir melalui sejumlah lubang pada pelat dan tepat jatuh di atas bidang di antara mulut pipa, kemudian terdistribusi pada pipa-pipa. Pada saat yang sama, uap mengalir melalui pipa kecil tepat di atas tabung pemanas. Uap yang keluar lewat pipa kecil ini akan mendorong cairan menempel pada dinding tabung pemanas sekaligus memberikan kecepatan awal.
Gambar 3. Sistem distribusi cairan dalam falling film evaporator
Sistem statis lebih stabil terhadap perubahan kapasitas, karena jika permukaan cairan di atas pelat distribusi naik akibat kenaikan jumlah cairan masuk, maka aliran cairan melalui lubang juga akan bertambah cepat sehingga mencegah kenaikan tinggi permukaan. Demikian pula jika kapasitas turun. Kapasitas dan Limitasi a) Suhu : 26 – 100 ºC b) Flowrate : 450 – 16.000 kg/h c) Ukuran suspended solid yang dapat lolos di evaporator : 50 mesh Aplikasi di Industri a) Industri makanan seperti susu, minyak goreng, juice, kaldu ayam b) Industri farmasi Cara Pemilihan Alat yang Sesuai a) Digunakan untuk menguapkan bahan yang sensitif terhadap panas b) Digunakan untuk bahan dengan viskositas rendah Kelebihan dan Kekurangan a) Kelebihan 1) Koefisien transfer panas besar dan waktu tinggal yang singkat sehingga cocok untuk menangani bahan-bahan yang sensitif terhadap panas Luas permukaan transfer panas tiap volume cairan dalam evaporator ini sangat besar. Artinya, perbandingan luas transfer panas tiap volume cairan dalam evaporator sangat tinggi. Luas transfer panas yang besar menyediakan fasilitas untuk perpindahan panas yang besar, sedangkan volume cairan dalam evaporator yang kecil berarti waktu tinggal cairan dalam evaporator kecil sehingga kerusakan bahan dapat diminimalkan.
2) Pressure drop rendah 3) Tidak membutuhkan energi yang terlalu besar 4) Biaya operasi rendah karena umpan bergerak secara alami 5) Hemat tempat karena hanya membutuhkan space/ruang yang sedikit untuk penempatan dibanding evaporator yang lain. b) Kekurangan 1) Distribusi cairan kurang baik. 2) Terkadang umpan belum teruapkan secara sempurna sehingga harus disirkulasikan kembali 3) Tidak cocok untuk cairan yang memiliki viskositas tinggi karena dapat menimbulkan scaling dan fouling.
C. Agitated Film Evaporator (Turbulent Film Evaporator) Evaporator ini berbentuk tabung (shell) vertikal atau horizontal, dengan pemanas di luar tabung. Pada sumbu tabung terdapat batang yang dapat diputar (rotor) yang bekerja pada kecepatan tinggi untuk menyebarkan lapisan tipis turbulen dari larutan ke seluruh permukaan pemanas. Saat batang berputar, cairan bergerak ke bawah dan akan terlempar ke tepi tabung (bagian panas) karena putaran rotor. Cairan di tepi tabung akan terpental kembali ke tengah tabung. Pada bagian atas tabung disediakan ruang untuk pemisahan uap cairan.
Evaporator jenis ini umumnya digunakan untuk material yang sensitif terhadap panas, viscous, dan mempunyai kandungan suspensi padatan yang tinggi. Agitated evaporator biasanya digunakan untuk mendapatkan faktor konsentrasi tinggi
dalam
aliran
tunggal
dan
mengeringkan larutan menjadi tepung.
Gambar 4. Agitated Film Evaporator
dapat
Evaporator biasanya dipanaskan dengan steam sampai tekanan maksimum 200 psig (1,4 MPa). Evaporator dapat dibagi menjadi 2 jenis, horizontal evaporator dan vertical evaporator. Dalam unit vertikal, umpan ditranspor melalui zona pemanas dengan gravitasi, karena adanya gerakan rotor. Pada unit horizontal, larutan didorong menuju evaporator dengan umpan masuk. Prinsip mekanisme alat: a) Pembuatan thin layer film dengan bantuan rotor blade. b) Pengaliran panas secara simultan dengan pembentukan film di luar selimut film. c) Pemekatan konsentrasi solute dengan evaporasi solvent. d) Recovery solvent. Aplikasi Agitated Film Evaporator dalam Industri a) Stripping pestisida, monomer dan silicone oils b) Recovery dari contaminated solvents dari residu c) Purifikasi biodiesel d) Recovery gliserin Kelebihan dan Kekurangan a) Kelebihan 1) Transfer panas berjalan dengan sangat efisien (karena efisiensi termalnya tinggi) 2) Konsentrasi lokal yang tinggi dapat teratasi (karena adanya pengadukan) 3) Dapat digunakan untuk kondisi umpan yang sangat viscous (viskositas umpan > 1000) 4) Dapat digunakan untuk material yang sensitif terhadap panas 5) Kapasitas evaporasi mencapai 200 kg/m2.hr b) Kekurangan 1) Biaya operasinya tinggi (karena perlu daya besar untuk menggerakkan rotor) 2) Konstruksinya sulit 3) Harga alat mahal
D. Direct Contact Evaporator Pada direct contact evaporator, gas pemanas berkontak langsung dengan cairan yang akan diuapkan. Gas pemanas diinjeksikan ke alat melalui suatu kolom cairan. Gas pemanas akan melepaskan panasnya untuk menguapkan cairan. Gas pemanas diperoleh dari campuran gas hasil pembakaran bahan bakar (batu bara atau minyak) dengan udara pada area pembakaran yang terhubung dengan alat evaporasi. Selanjutnya uap cairan dan gas pemanas akan keluar dari atas evaporator.
Penguapan pada alat ini terjadi sangat cepat karena perbedaan suhu gas pemanas yang digunakan dan larutan yang akan diuapkan sangat tinggi. Gas pemanas hasil pembakaran yang digunakan biasanya bersuhu 1200-1800 ºC.
Gambar 5. Direct contact evaporator Kapasitas Kapasitas termal mencapai 22x108 Btu/jam (Foust, 1980) dan dapat menguapkan cairan dengan laju 100 ton/jam. Kelebihan dan Kekurangan a) Kelebihan 1) Dapat digunakan untuk material yang viskositasnya tinggi, slurry, mudah mengkristal, dan korosif. 2) Tidak memerlukan permukaan perpindahan panas dari bahan logam karena larutan yang akan diuapkan langsung dipanaskan dengan fluida proses. 3) Desain alat simpel sehingga biaya tidak mahal. 4) Alat dapat dibuat dengan alat yang merupakan thermal insulator karena bagian alat tidak digunakan sebagai permukaan perpindahan panas. 5) Koefisien transfer panas sangat besar. 6) Efisiensi sangat tinggi, mencapai 90%. b) Kekurangan 1) Pemakaian panas kembali sulit dilakukan.
2) Nozzle yang menginjeksikan gas panas mudah rusak karena digunakan pada temperatur yang sangat tinggi, sehingga nozzle harus menggunakan bahan yang sesuai dan dapat diganti dengan mudah. 3) Tidak dapat digunakan untuk produk yang sama sekali tidak boleh mengandung gas pemanas. Aplikasi di Industri a) Treatment untuk wastewater atau sewage sludge b) Menguapkan cairan asam sulfat, oxidizing asphalt, asam arsenik, asam klorida, amonia, dan etilena. c) Memekatkan cairan slurry. d) Kristalisasi air garam (brine). e) Recovery sulfur. f) Stipping fenol dan asam sulfida. g) Menguapkan LPG dan LNG.
E. Discontinuous Evaporator Prinsip kerjanya dengan penambahan kalor atau panas untuk memekatkan suatu larutan yang terdiri dari zat terlarut yang memiliki titik didih tinggi dan zat pelarut yang memiliki titik didih lebih rendah sehingga dihasilkan larutan yang lebih pekat serta memiliki konsentrasi yang tinggi. Dengan bantuan stirrer, proses evaporasi yang terjadi akan mendapatkan hasil yang homogen dan lebih optimal.
Gambar 6. Discontinuous Evaporator Sumber: Sattler and Feindt, 1995, Thermal Separation Processes
Evaporator jenis ini digunakan untuk cairan dengan viskositas besar atau bahkan untuk pasta atau pulpy, dengan kapasitas 20-120 liter. Tipe pemanas dapat berupa koil atau jaket pemanas. Kelebihan dan Kekurangan a) Kelebihan 1) Kapasitas produksi dapat menyesuaikan karena sistemnya batch atau discontinuous. 2) Pengoperasian sederhana. 3) Dapat menguapkan larutan dengan viskositas tinggi atau bahkan pasta atau pulp. b) Kekurangan: Penggunaan evaporator model ini untuk fluida dengan tipe lain kurang cocok karena dibuat untuk keperluan khusus.
F. Pemilihan Jenis Evaporator Pemilihan jenis evaporator setidaknya harus memperhatikan: 1. Kapasitas produksi yang disyaratkan (throughput requirea) 2. Viskositas umpan dan kenaikan viskositas selama penguapan 3. Produk yang diinginkan: padatan, slurry atau larutan pekat 4. Sensitivitas bahan/produk terhadap panas 5. Apakah larutan yang diproses fouling (menimbulkan kerak) atau non-fouling 6. Apakah larutan dapat menimbulkan busa (foaming) 7. Apakah harus dilakukan pemanasan langsung (direct heating)
Tabel pedoman pemilihan evaporator:
Sumber: Coulson and Richardson’s Chemical Engineering Vol. 2: Particle Technology and Separation Process, 5th ed., 1983.
DAFTAR PUSTAKA Coulson, J.M. and Richardson J.F., 1983, Chemical Engineering, Vol. 2: Particle Technology and Separation Process, Pergamon Press, New York. Fedder, R.J., ”Selection of an Agitated Thin-film Evaporator for Processing Radioactive Waste at ORML”, 1989, Oak Ridge. Foust, A.S. et al., 1980, “Principle of Unit Operations”, 2ed., JohnWilley and Sons,Inc., New York. Sattler, K. and Feindt, H.J., 1995, “Thermal Separation Processes: Principles and Design”, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim. Walas, S.M., 1988, ”Chemical Process Equipment - Selection and Design”, 3ed., Butterworth, United States of America. http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/SeparationsChemical/Evaporators/Evaporators.html http://nptel.ac.in/courses/103103027/pdf/mod3.pdf http://thermalkinetics.net/services/process-evaporation/falling-film-tubular-evaporator-ff/ http://web.ornl.gov/info/reports/1989/3445605662814.pdf http://www.china-ogpe.com/buyingguide_content/Film_type_evaporator_1306.html http://www.jalengg.com/climbingfilmeva.html http://www.pmmixers.com/evaporators.html https://www.academia.edu/7427887/Universitas_Gadjah_Mada https://www.sulzer.com/en/Products-and-Services/SeparationTechnology/Evaporation/FallingFilm-Evaporator
