Alat Pembuat Vakum pada Evaporator PDF

Preview

Summary

MAKALAH PERPINDAHAN PANAS – B ALAT PEMBUAT VAKUM PADA EVAPORATOR Dosen Pengampu: Ir. Wahyu Hasokowati, M.A.Sc. Anggota Kelompok 3 Aditya Whisnu Heryudhanto 14/367120/TK/42360 Annisa Amalia Ulfah 14/367071/TK/42323 Ario Dewanto 14/367084/TK/42333 Bintang Ramadhan 14/363377/TK/41508 Boris 14/367111/TK...

Description

MAKALAH PERPINDAHAN PANAS – B ALAT PEMBUAT VAKUM PADA EVAPORATOR

Dosen Pengampu: Ir. Wahyu Hasokowati, M.A.Sc. Anggota Kelompok 3 Aditya Whisnu Heryudhanto

14/367120/TK/42360

Annisa Amalia Ulfah

14/367071/TK/42323

Ario Dewanto

14/367084/TK/42333

Bintang Ramadhan

14/363377/TK/41508

Boris

14/367111/TK/42353

Conny Julanda Aryanie

14/367069/TK/42321

Daniel Christianto Setyo Prihangkoso

14/363234/TK/41412

Giovanni Fendy Handojo

14/363361/TK/41495

Nur Bayu Maulida Naryo

14/367077/TK/42326

Salsabila Isna Firdausi

14/363374/TK/41506

Tika Trystanti

11/318963/TK/38112

Yohanes Nico Prabowo Marpaung

14/367161/TK/42375

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA TAHUN AKADEMIK 2016/2017

ALAT PEMBUAT VAKUM PADA EVAPORATOR A. PENDAHULUAN: Alasan Adanya Alat Pembuat Vakum pada Evaporator Multiple effect evaporator merupakan peralatan yang dirancang dengan tujuan meningkatkan efisiensi energi dari proses evaporasi yang berlangsung dengan menggunakan energi panas dari steam (kukus) untuk menguapkan air. Prinsip dasar dari jenis evaporator ini yaitu menggunakan kalor yang dilepaskan dari proses kondensasi pada evaporator pertama untuk memberikan panas bagi evaporator lainnya. Pada efek kedua, kondisi larutan akan semakin tinggi konsentrasinya karena sudah dilakukan evaporasi pada efek pertama. Namun, pada efek kedua ini pula, steam yang diperoleh dari efek pertama mempunyai suhu yang lebih rendah daripada steam pada efek pertama. Oleh karena itu, steam pada efek kedua harus diturunkan tekanannya dengan alat pembuat vakum untuk dapat bekerja dengan baik. Bila steam pada efek kedua yang memiliki suhu lebih rendah tidak diturunkan tekanannya, maka dibutuhkan sumber panas tambahan. Uap yang terbentuk dari separator first effect akan memanasi komponen yang sedang berada di unit second effect, ketika steam awal (steam langsung) sedang memanasi komponen yang berada pada unit first effect. Pada suatu multiple-effect evaporator, air dididihkan pada suatu rangkaian wadah (vessel), masing-masing dilangsungkan pada tekanan yang lebih rendah dibandingkan dengan unit sebelumnya. Mengingat titik didih dari air menurun seiring dengan penurunan tekanan, maka uap yang terbentuk dari satu wadah dapat digunakan untuk memanaskan unit berikutnya dan hanya pada wadah pertama (pada tekanan tertinggi) membutuhkan sumber panas eksternal. Laju uap dan air pendingin bagi unit double effect diperkirakan 50% dibandingkan dengan unit single effect. Laju alir berbagai jenis bagi multiple effect berkisar antara 3.000 LPH sampai dengan 50.000 LPH. B. MULTIPLE EFFECT EVAPORATOR 1. Forward-Feed Multiple Effect Evaporator

Gambar 1. Forward-feed multiple effect evaporation

Pada multiple effect evaporator jenis ini, umpan cair dipompakan ke efek pertama, dan larutan yang lebih pekat dipasok ke efek kedua, begitu seterusnya. Hal yang sama dilakukan juga untuk steam, sehingga terjadi perpindahan panas dari steam ke larutan

Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 2

yang hendak dievaporasikan. Zat pelarut akan menguap terlebih dahulu, yang kemudian menghasilkan larutan yang lebih pekat (kemurnian produk yang tinggi). Konsentrasi cairan meningkat dari efek pertama sampai efek terakhir. Dalam pengoperasiannya, efek pertama biasanya dioperasikan dengan kondisi tekanan atmosferis, dan tekanan efek-efek selanjutnya akan berkurang. Karena tekanan efek selanjutnya lebih rendah, maka titik didih larutan pada efek selanjutnya lebih rendah dibanding efek pertama. a. Kelebihan  Rangkaiannya sederhana.  Hanya diperlukan single feed pump, sehingga mampu menekan fixed cost.  Cocok untuk larutan yang memiliki kemungkinan menyebabkan scaling.  Transfer umpan dari satu efek ke efek lain dapat dilakukan tanpa pompa.  Produk diperoleh pada suhu yang paling rendah. b. Kekurangan  Tidak dapat digunakan untuk industri desalinasi karena lebih kompleks daripada menggunakan parallel feed.  Perlu adanya pompa untuk mengeluarkan larutan pekat dan uap pemanas pada efek terakhir karena biasanya tekanan operasi di efek terakhir berada di bawah tekanan atmosferis.  Tidak cocok untuk umpan yang dingin, karena steam yang masuk di efek pertama menaikkan suhu umpan, dan sebagian panas berubah menjadi panas laten untuk penguapan. Maka, jumlah uap yang dihasilkan akan lebih sedikit daripada jumlah steam yang disuplai. Jumlah uap yang sedikit di efek 1 akan menyebabkan jumlah uap yang makin sedikit di efek-efek selanjutnya. Hal ini mengakibatkan biaya operasi yang tinggi. c. Aplikasi di Industri  Industri kertas dan pulp.  Industri gula.  Industri obat-obatan.

Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 3

2. Backward-Feed Multiple Effect Evaporator

Gambar 2. Backward-feed multiple effect evaporation

Umpan dan uap pemanas dimasukkan tidak pada efek yang sama. Uap pemanas masuk melalui efek pertama dan umpan masuk dari efek yang paling akhir. Hasil evaporasi pada efek terakhir dialirkan ke efek sebelumnya, sementara uap hasil pemanasan dari evaporator pertama yang dipanaskan oleh uap umpan, dialirkan ke evaporator efek selanjutnya. Sehingga, hasil akhir larutan pekat didapatkan pada evaporator efek pertama (tempat masuk uap umpan). Mengingat tekanan operasi evaporator n lebih kecil dibanding tekanan operasi evaporator n-1 (Pn < (Pn-1)) maka dibutuhkan pompa pada tiap efek untuk mengalirkan larutan pekat hasil evaporasi pada tiap efek ke efek sebelumnya (dari efek ke-n menuju efek ke-(n-1)) sampai pada evaporator efek pertama. a. Kelebihan  Cocok untuk umpan larutan yang bersifat viscous, karena backward feed arrangement mampu menekan perbedaan viskositas di dalam sistem evaporasi.  Hasil evaporasi baik karena produk akhir diambil di evaporator pertama yang memiliki suhu operasi paling tinggi.  Tidak membutuhkan pompa untuk mengeluarkan larutan pekat karena larutan pekat keluar dari evaporator efek pertama yang memiliki tekanan operasi relatif tinggi. b. Kekurangan Dibutuhkan banyak pompa untuk mengalirkan larutan pekat hasil evaporasi dari satu efek ke efek sebelumnya karena larutan pekat dialirkan ke efek yang bertekanan operasi lebih tinggi.

Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 4

3. Mixed-Feed Multiple Effect Evaporator

Gambar 3. Mixed-feed multiple effect evaporation

Pada penyusunan multiple effect evaporator ini, umpan masuk di evaporator yang berada di tengah-tengah. Pola penyusunan ini merupakan gabungan dari pola forward feed arrangement dan juga backward feed arrangement. Mulanya larutan yang telah dievaporasi pada evaporator yang berada di tengah dialirkan seperti pada pola forward feed arrangement hingga evaporator akhir, kemudian hasil evaporasi di evaporator akhir diumpankan balik ke evaporator pertama dan dihasilkan larutan pekat di evaporator pertama. Penyusunan seperti ini dapat mengurangi jumlah penggunaan pompa dari backward feed arrangement. a. Kelebihan  Kebutuhan pompa tidak sebanyak pola backward feed arrangement.  Hasil larutan pekat dikeluarkan tidak harus dengan pompa.  Hasil evaporasi baik karena evaporasi terakhir di evaporator pertama yang bersuhu operasi paling tinggi. b. Kekurangan Pola penyusunan tidak sesederhana pola forward feed arrangement dan cenderung rumit. 4. Parallel-Feed Multiple Effect Evaporator Pola penyusunan multiple effect evaporator ini digunakan untuk evaporator kristalisasi. Umpan dimasukkan ke tiap-tiap efek evaporator tanpa adanya transfer larutan dari satu efek ke efek lainnya. Hal ini dapat dipahami karena pada evaporator kristalisasi diinginkan hasil evaporasi yang berupa kristal yang benar-benar terpisah dari larutannya. Umpan untuk evaporator jenis ini biasanya dalam keadaan hampir jenuh (saturated). Umpan dimasukkan dalam keadaan temperatur dan kadar yang sama. Di Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 5

dalam evaporator, umpan akan mengalami kenaikan suhu hingga mencapai keadaan jenuhnya. Biasanya parallel evaporator digunakan untuk evaporasi brine dalam pembuatan garam.

Gambar 4. Parallel-feed multiple effect evaporation

Gambar 5. Skema parallel evaporator pada proses desalinasi air laut

a. Kelebihan Beban tiap evaporator lebih rendah dibandingkan dengan beban tiap evaporator jenis multiple effect evaporator lainnya karena jumlah umpannya dibagi sebanyak jumlah efek. b. Kekurangan Dibutuhkan energi yang relatif besar untuk menguapkan seluruh larutan yang ada pada slurry untuk menjadi kristal seluruhnya. Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 6

5. Pertimbangan Pemilihan Arrangement untuk Multiple Effect Evaporator Berikut ini adalah tabel pertimbangan pemilihan susunan yang tepat untuk proses evaporasi menggunakan multiple effect evaporator. Tabel 1. Pertimbangan pemilihan arrangement untuk multiple effect evaporation Pertimbangan

Arah

Kapasitas Kapasitas Viskositas panas besar tinggi umpan



Forward Backward

Produk yang Biaya Sensitivitas diinginkan investasi umpan awal terhadap (paling Larutan suhu Kristal rendah) pekat





 

Parallel



 

a. Kapasitas dan viskositas umpan Backward feed arrangement sebaiknya untuk kapasitas umpan yang lebih tinggi dibandingkan dengan kapasitas umpan pada forward feed arrangement karena pada backward feed arrangement umpan dialirkan menggunakan pompa dari efek satu ke efek selanjutnya di mana pada efek I thick liquor berada pada suhu tinggi dan viskositas rendah sehingga thick liquor lebih mudah mengalir keluar. Pada forward feed arrangement, jika kapasitasnya tinggi, semakin menuju ke efek selanjutnya maka suhu akan semakin rendah dan viskositas semakin tinggi sehingga thick liquor semakin susah mengalir keluar karena tanpa menggunakan pompa. b. Kapasitas panas umpan Umpan yang memiliki kapasitas panas yang besar sebaiknya menggunakan forward feed arrangement karena pada efek I terjadi transfer panas yang paling baik antara steam dengan umpan, sehingga bahan yang memiliki kapasitas panas yang besar lebih mudah untuk mencapai titik didihnya dan lebih mudah menguap. Jika umpan yang memiliki kapasitas panas yang besar menggunakan backward feed arrangement maka umpan sulit untuk mencapai titik didihnya karena steam pada efek III memiliki transfer panas yang lebih sedikit dibandingkan dengan di efek I. c. Sensitivitas umpan terhadap perubahan suhu Umpan yang sangat sensitif terhadap perubahan suhu sebaiknya menggunakan backward feed arrangement karena umpan mengalami kenaikan suhu secara bertahap, tidak langsung suhu yang sangat tinggi.

Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 7

d. Produk yang diinginkan Parallel feed arrangement digunakan untuk produk berupa kristal. Forward feed arrangement, backward feed arrangement, dan mixed feed arrangement digunakan untuk produk berupa larutan pekat. e. Biaya investasi awal Forward feed arrangement membutuhkan biaya investasi awal yang paling rendah dibandingkan dengan ketiga jenis arrangement yang lain karena pada forward feed arrangement hanya butuh 2 buah pompa masing-masing untuk memompakan umpan masuk ke efek I dan thick liquor keluar dari efek III. C. ALAT PEMBUAT VAKUM PADA EVAPORATOR Untuk operasi di bawah tekanan atmosferis, maka diperlukan alat pembuat vakum. Ada dua macam alat pembuat vakum yang dikenal secara umum, yaitu pompa vakum dan jet ejector. 1. Pompa Vakum Berdasarkan prinsip kerjanya, pompa vakum dikelompokkan menjadi 3 yaitu: a. Pompa vakum positive displacement b. Pompa momentum transfer c. Pompa entrapment Keuntungan pompa vakum adalah tidak memerlukan motive fluid (misalnya steam) tetapi memerlukan energi listrik, sedangkan kerugiannya adalah biaya investasi yang lebih tinggi, dan jika harga energi listrik mahal maka sebaiknya menggunakan jet ejector. a. Pompa Vakum Positive Displacement Prinsip dari pompa ini adalah dengan jalan mengekspansi volume ruang oleh pompa sehingga terjadi penurunan tekanan vakum parsial. Sistem sealing mencegah gas masuk ke dalam ruang tersebut. Selanjutnya pompa melakukan gerakan buang, dan kembali mengekspansi ruang tersebut. Jika dilakukan secara siklis dan berkalikali, maka vakum akan terbentuk di ruangan tersebut. Salah satu aplikasi pompa ini yang paling sederhana adalah pada pompa air manual. Untuk mengangkat air dari dalam tanah, dibentuk ruang vakum pada sisi keluaran air, sehingga air dapat ‘terisap’ naik ke atas.

Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 8

Gambar 6. Rotary vane vacuum pump

Gambar 7. Diaphragm vacuum pump

Berikut adalah pompa vakum yang termasuk ke dalam tipe positive displacement, antara lain: 

Diaphragm pump



External vane pump



Liquid ring pump



Lobe pump



Multistage Roots pump



Piston pump



Roots blower



Rotary vane pump  paling banyak digunakan



Screw pump



Scroll pump

Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 9

b. Pompa Momentum Transfer Pompa momentum transfer memakai sistem jet fluida berkecepatan tinggi, atau menggunakan sudu putar berkecepatan tinggi untuk menghisap gas dari ruang tertutup. Pompa vakum dengan metode ini dapat menghasilkan tekanan vakum yang sangat tinggi. Semakin vakum tekanan di dalam ruang, maka akan semakin tinggi efisiensi pompa ini. Metodenya adalah dengan jalan mengakselerasi molekul gas dari sisi tekanan rendah ke tekanan tinggi. Molekul fluida yang berada pada tekanan atmosfer akan saling mendorong dengan molekul fluida tetangganya dan menciptakan aliran fluida. Namun, pada saat jarak antara molekul fluida sangat jauh, maka molekul tersebut lebih cenderung berinteraksi dengan dinding ruangnya daripada dengan molekul sesamanya. Fenomena inilah yang menjadi dasar penggunaan pompa vakum momentum transfer. Karena tidak menggunakan sistem seal antara ruang vakum-pompa-ruang luar, maka sangat dimungkinkan akan terjadi stall. Untuk itu pada penggunaannya diperlukan ruangan selanjutnya yang bertekanan lebih rendah dari atmosfer dan terpasang di sisi keluaran pompa vakum ini. Contoh pompa jenis ini adalah pompa difusi dan turbomolecular.

Gambar 8. Turbomolecular vacuum pump

Gambar 9. Prinsip kerja turbomolecular vacuum pump ditinjau secara mikroskopis

Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 10

c. Pompa Vakum Entrapment Pompa menggunakan suatu zat padat atau zat adsorben tertentu untuk mengikat gas di dalam ruangan tertutup. Pompa jenis ini menggunakan metode-metode kimia ataupun fisik untuk mengikat fluida (gas) dengan tujuan menghasilkan tekanan vakum. Ada berbagai macam jenis pompa vakum entrapment, yaitu: 

Cryopump, merupakan pompa vakum dengan jalan mengikat uap air atau gas di suatu ruangan menggunakan sebuah permukaan yang dingin.

Gambar 10. Penampang cryopump 

Pompa kimia, mampu mengikat gas untuk bereaksi dan membentuk padatan.



Pompa ionisasi, mampu mengionisasi gas dengan menggunakan potensial bertegangan tinggi, sehingga gas tersebut terakselerasi menuju elektrode pengumpul.

Gambar 11. Pompa ionisasi Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 11

2. Jet Ejector Ejector adalah salah satu alat pembuat vakum dengan prinsip jet pump sebagai tenaga penggeraknya, yaitu menciptakan ruang bertekanan rendah oleh fluida penggerak (motive fluid), sehingga fluida suction/sekunder yang berada pada tekanan lebih tinggi akan terisap ke ruang vakum tersebut. Suatu pancaran cairan atau gas keluar dari nozzle dengan kecepatan tinggi sehingga dihasilkan tekanan rendah di titik nozzle tersebut. Selanjutnya terjadi transfer momentum pada fluida sekunder dan fluida penggerak, bertemu pada ruang pencampuran (mixing chamber), sehingga fluida sekunder bergerak ke bagian keluaran pompa bersama dengan fluida penggerak. Dengan demikian, gas yang harus diangkut akan terisap, terbawa, dan mengalami percepatan.

Gambar 12. Jet ejector

Berdasarkan motive fluid-nya, ada 2 jenis jet ejector, yaitu: a. Steam jet ejector: alat pembangkit vakum dengan menggunakan steam sebagai media pendorong. b. Water jet ejector: menggunakan air sebagai fluida penggeraknya.

Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 12

Walaupun biaya investasi dan biaya perawatannya rendah, tetapi konsumsi steamnya tinggi. fluida penggerak fluida campuran

fluida sekunder (aliran resirkulasi)

Gambar 13. Simulasi CFD sekaligus skema aliran di steam jet ejector

Untuk mengurangi beban alat pembuat vakum, jumlah uap yang masuk alat tersebut perlu dikurangi sebanyak-banyaknya dengan cara mengembunkannya dalam kondensor. Ada 2 jenis kondensor yang sering digunakan, yaitu: a. Mixing Condenser Nama lain mixing condenser adalah barometric condenser. Pada alat ini, uap dan air pendingin dikontakkan langsung dengan sistem semburan air. Prinsip kerja dari alat ini adalah uap masuk ke kondensor melalui bagian atas dan dikondensasikan oleh air melalu spray nozzle. Non-condensable terbentuk pada bagian bawah kondensor akibat aliran air yang konvergen dari jet nozzle. Air yang terkondensasi dan yang tidak terkondensasi dikeluarkan melalui pipa pada bagian bawah kondensor. 1) Keuntungan Biaya investasi dan konsumsi air pendingin rendah. 2) Kerugian Air dan embunan bercampur sehingga jika terdapat kotoran yang terbawa dari evaporator maka kotoran akan terbawa ke cooling tower dan akan terjadi kontaminasi.

Gambar 14. Skema alat barometric jet condenser (kiri) dan two-stage barometric condenser (kanan) Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 13

b. Surface Condenser Surface condenser merupakan kondensor konvensional berupa selongsong yang di dalamnya terdapat pipa-pipa (shell and tube). Prinsip kerja alat ini adalah air pendingin masuk melalui bagian bawah, kemudian masuk ke dalam pipa (tube) dan akan keluar pada bagian atas, sedangkan uap akan masuk pada bagian tengah kondensor dan akan keluar sebagai kondensat pada bagian bawah.

Gambar 15. Skema alat surface condenser

1) Keuntungan Embunan dan air pendingin terpisah. 2) Kerugian Biaya investasi besar dan kebutuhan air pendingin lebih banyak daripada kebutuhan air pada barometic condenser. Berikut contoh pemasangan sistem vakum menggunakan barometric condenser dan jet ejector. Pada skema (a) digunakan steam jet ejector, sedangkan pada skema (b) digunakan water jet ejector yang menjadi satu dengan barometric condenser.

Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 14

Gambar 16. Pemasangan sistem jet ejector (kiri) dan barometric condenser dengan water jet ejector (kanan)

D. ESTIMASI KEBUTUHAN ENERGI, STEAM, DAN BIAYA PEMVAKUMAN 1. Evaporator Economy Evaporator economy atau steam economy adalah jumlah kg air/solven yang menguap per kg umpan steam. Untuk single effect evaporator, jumlah air yang menguap per kg steam yang diumpankan nilainya selalu kurang dari satu sehingga nilai ekonominya kurang dari satu. Hal ini disebabkan karena: a. Steam bertekanan rendah yang digunakan untuk penguapan memiliki nilai panas laten kondensasi yang lebih rendah dibanding nilai panas laten penguapan untuk menguapkan air pada tekanan rendah. b. Pada tekanan tertentu, jumlah panas yang diperlukan untuk menguapkan 1 kg air dari larutan biasanya lebih besar dibanding jumlah panas yang diperlukan untuk menguapkan 1 kg air murni. c. Panas yang hilang ke lingkungan. Untuk menaikkan ekonomi maka digunakan cara multiple effect evaporator dan vapor recompression seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Jumlah efek yang memberikan total cost optimum ditunjukkan pada grafik berikut ini: Alat Pembuat Vakum pada Evaporator | 15