simulasi proses evaporasi nira dalam falling film ... · laboratorium perpindahan massa dan panas....
TRANSCRIPT
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
SIMULASI PROSES EVAPORASI NIRA DALAM
FALLING FILM EVAPORATOR DENGAN ADANYA
ALIRAN UDARA
Oleh :
Ratih Triwulandari 2308 100 509
Riswanti Zawawi 2308 100 538
Pembimbing :
Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT
Dr. Ir. Susianto, DEA
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
LATAR BELAKANG
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.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
KELEBIHAN FALLING FILM 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
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
PENELITIAN TERDAHULU G.D. Saravacos et al, (1970) mengadakan penelitian tentang prinsip kinerja
falling film evaporator menggunakan macam-macam sistem larutan.
M.Y. Lonkar 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.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
RUMUSAN MASALAH
Mencari acuan dalam perhitungan secara teoritis tentang
falling film evaporator dengan sistem nira-udara, dengan
meninjau pengaruh beberapa variabel berikut :
1.Laju alir larutan
2.Laju alir udara
3.Konsentrasi awal nira
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
TUJUAN PENELITIAN
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
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
SEKILAS 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.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
METODE-METODE YANG DAPAT DIGUNAKAN UNTUK
MENINGKATKAN LAJU PENGUAPAN FILM 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
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
FALLING FILM EVAPORATOR
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.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
DIAGRAM ALIR LANGKAH-LANGKAH PENELITIAN
Mencari data sifat fisik dan sifat kimia
dari bahan
Menyusun program penyelesaian dari
masing-masing persamaan
differensial menggunakan metode
Runge-Kutta orde 4 dan finite
difference dengan menggunakan
software MATLAB
Melakukan interpretasi terhadap
model yang diperoleh.
Menyusun algoritma penyelesaian
persamaan differensial non linier
Mengembangkan model fenomena
perpindahan panas dan massa pada
proses penguapan dalam falling film
evaporator yang berupa sistem
persamaan differensial non linier.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
VARIABEL PENELITIAN
INPUT• Laju alir larutan
• Laju alir udara
• Konsentrasi nira masuk
OUTPUT• Distribusi Tlarutan
• Distribusi Tgas
• Konsentrasi akhir produk
ASUMSI
Aliran laminar
Tebal film rata
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
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
INPUT VARIABEL
• Laju alir larutan : 40 l/jam; 60 l/jam; 80 l/jam
• Laju alir udara : 1 m3/jam; 2 m3/jam; 3 m3/jam
• Konsentrasi awal nira masuk : 11 %; 12 %; 14 %
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
SISTEM PERSAMAAN YANG HARUS DISELESAIKAN
r
rrL
Lr
Tk
r
z
R
z
R1
zzLLL TcpVz
rrr
L
Lr
Tk
zzzLpL TcVzL
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
SISTEM PERSAMAAN YANG HARUS DISELESAIKAN
PERSAMAAN NERACA MOMENTUM
0)()(
grdr
rdGL
rz
……………(2.1)
PERSAMAAN NERACA PANAS FILM LIQUID
r
Tr
rr
k
z
TcV LL
PLz L ……(2.2)
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
SISTEM PERSAMAAN YANG HARUS DISELESAIKAN
PERSAMAAN NERACA PANAS PADA FASE GAS
PERSAMAAN NERACA MASSA TOTAL
0
GG
GGpG TTsh
z
Tvc
G ……(2.3)
……(2.4))( AGAS YYDkyz
F
PERSAMAAN NERACA MASSA UAP AIR DALAM UDARA
)( AGASAG YYDkyz
y
……(2.5)
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Temperatur
364
368
372
376
380
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008
Tem
pera
tur
La
ru
tan
(K
)
Posisi Radial, r ' (m)
Q larutan = 40 l/jam
Q larutan = 60 l/jam
Q larutan = 80 l/jam
Gambar 4.1 Hubungan antara temperatur larutan (K) dengan posisi radial,r(m) dengan laju alir gas 2 m3/jam, dan konsentrasi awal nira 11 %.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
364
368
372
376
0 0.5 1 1.5 2
Tem
pera
tur
La
ru
tan
(K
)
Posisi Axial, z (m)
Q larutan = 40 l/jam
Q larutan = 60 l/jam
Q larutan = 80 l/jam
Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Temperatur
Gambar 4.2 Hubungan antara temperatur larutan (K) dengan posisi axial,z
(m) pada bagian interface dengan laju alir gas 1 m3/jam, dan konsentrasi
awal Nira 12 %.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
364
368
372
376
380
384
0 0.5 1 1.5 2
Tem
pera
tur
La
ru
tan
(K
)
Posisi Axial, z (m)
Q larutan = 40 l/jam
Q larutan = 60 l/jam
Q larutan = 80 l/jam
Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Temperatur
Gambar 4.3 Hubungan antara temperatur larutan (K) dengan posisi axial,z
(m) pada bagian dinding kolom dengan laju alir gas 1 m3/jam, dan
konsentrasi awal nira 12 %.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
372
374
376
378
380
382
0 0.5 1 1.5 2
Tem
pera
tur
La
ru
tan
(K
)
Posisi Axial, z (m)
Nira = 11 %
Nira = 12 %
Nira = 14 %
Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Temperatur
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 m3/jam.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
362
364
366
368
370
0 0.5 1 1.5 2
Tem
per
atu
r G
as
(K)
Posisi Axial, z (m)
Q gas = 1 m3/jam
Q gas = 2 m3/jam
Q gas = 3 m3/jam
Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Distribusi Temperatur
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 %.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
12
12.2
12.4
12.6
12.8
13
0 0.5 1 1.5 2
Kon
sen
trasi
Nir
a (
%)
Posisi Axial, z (m)
Q larutan = 40 l/jam
Q larutan = 60 l/jam
Q larutan = 80 l/jam
Pengaruh Konsentrasi Larutan Keluar Terhadap Distribusi Temperatur larutan dan Temperatur Gas
Gambar 4.6 Hubungan antara konsentrasi nira dan posisi axial,z (m) padalaju alir gas1 m3/jam dan konsentrasi awal nira 12 %.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
12
12.2
12.4
12.6
12.8
13
0 0.5 1 1.5 2
Kon
sen
trasi
Nir
a (
%)
Posisi Axial, z (m)
Q gas = 1 m3/jam
Q gas = 2 m3/jam
Q gas = 3 m3/jam
Pengaruh Konsentrasi Larutan Keluar Terhadap Distribusi Temperatur larutan dan Temperatur Gas
Gambar 4.7 Hubungan antara konsentrasi nira dan posisi axial,z (m) padalaju alir larutan 40 l/jam dan konsentrasi awal nira 12 %.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
Validasi Data Simulasi Dengan Eksperimen
Gambar 4.8 Hubungan antara konsentrasi akhir nira dengan laju alir gas
pada laju alir larutan 80 l/jam dan konsentrasi awal nira 12 %.
10
11
12
13
14
15
0 1 2 3
Ko
nse
ntr
asi
Ak
hir
Nir
a (
%)
Laju Alir Gas (m3/jam)
simulasi
eksperimen
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
Dari penelitian yang telah dilakukan diperoleh hasil sebagai berikut :
Kesimpulan
1. Penelitian ini menghasilkan suatu program komputer dalam MATLAB
yang dapat memprediksi distribusi temperatur liquida (TL), distribusi
temperatur gas (TG) 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
m3/jam diperoleh 11.561 % pada konsentrasi masuk 11 %; 12.605 % pada
konsentrasi masuk 12 %; dan 14.698 % pada konsentrasi masuk 14 %.
3. Laju alir udara memberikan pengaruh yang cukup signifikan terhadap
konsentrasi produk. Dengan kenaikan laju alir udara dari 1 m3/jam sampai
dengan 3 m3/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 %.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
Saran
1. Melakukan penelitian secara simulasi dengan aliran turbulen.
2. Melakukan simulasi falling film evaporator untuk fluida non-Newtonian.
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
SEKIAN
TERIMA KASIH
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
Hasil Analisa Nira Dari PG.Gempol Krep
LABORATORIUM PERPINDAHAN MASSA DAN PANAS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS
Aliran Udara Counter Current
3 4
18
7
27
1
2
5
6
8
9
10
11
12
13
14
15
17
20
21
23
24
26
28
29 30
31
32
33
34
35
25
22
Udara
19
16
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