BIOLOGI ONLINE

blog pendidikan biologi

PEMEKATAN LARUTAN GULA DALAM SUATU SYSTEM “EVAPORATOR EFEK TIGA” *) (Penerapan Konsep Neraca Massa dan Neraca Panas Dalam Proses Penguapan)

Oleh:

Endang Dwi Siswani Widyatmiko **)

 

 

ABSTRAK

 

Makalah ini bertujuan memberikan satu contoh penerapan konsep neraca massa dan neraca panas dalam  proses penguapan. Didalam Industri gula, sebelum sampai pada proses kristalisasi, larutan gula terlebih dahulu dipekatkan  dengan cara  penguapan, yang dilakukan di dalam suatu alat yang disebut dengan  evaporator.  Dalam makalah ini akan dibahas mengenai  langkah- langkah penerapan neraca massa dan neraca panas dalam proses pemekatan 22680 kg/ jam larutan gula 10% menjadi laruan gula 50% dalam system evaporator efek tiga, untuk menentukan  besarnya semua aliran bahan yang keluar dan yang masuk dalam suatu system evaporator efek tiga (L1; L2; L3; V1; V2; V3), jumlah uap air yang diperlukan (S), serta  besarnya luas permukaan perpindahan panas dari tiap- tiap evaporator (A1; A2; dan A3).

Langkah- langkah yang dilakukan adalah sebagai berikut: 1). menentukan  kenaikan titik didih larutan pada evaporator1, 2 dan 3; 2). menghitung  jumlah keseluruhan uap (V1 + V2 + V3) dan jumlah serta komposisi larutan (xi ) yang keluar dalam tiap- tiap evaporator (L1, L2 dan L3) dan mengasumsikan harga V1= V2 = V3; 3). menghitung  suhu embunan yang keluar dari tiap- tiap evaporator; 4). menentukan luas permukaan perpindahan panas pada tiap- tiap evaporator ( A1,, A2 , A3) berdasarkan hasil perhituingan pada langkah 2);  5) melakukan checking apakah benar bahwa A1 = A2 = A3;; 6). mengulang langkah 2) sampai dengan 5), hingga dieproleh harga A1 = A2 = A3.

Berdasarkan langkah- langkah diatas, diperoleh hasil perhitungan sebagai berikut: harga  L1 = 17005 kg/jam; L2 = 10952 kg/jam; L3 = 4536 kg’jam; V1 = 5675 kg/jam; V2 =  6053 kg/jam; V3 = 6416 kg/ jam. Jumlah Steam (uap air) yang diperlukan = S = 8960. Luas permukaan perpindahan panas untuk tiap- tiap evaporator adalah: A1 = 104,6 m2 ; A2 = 105,6 m2; dan A3 = 104,9 m2.

 

  1. PENDAHULUAN

Evaporator adalah salah satu jenis alat industri yang digunakan untuk memekatkan larutan. Alat ini banyak digunakan dalam industri yang mengolah bahan- bahannya dalam fase cair. Berdasarkan jumlah evaporator yang digunakan, system evaporator dibagi dalam beberapa jenis; yaitu: system evaporator efek tunggal ( sebuah evaporator); system evaporator multi efek ( lebih dari sebuah evaporator). Jika jumlah evaporator ada 3 buah, disebut dengan system evaporator efek tiga. Proses pemekatan di dalam evaporator bertujuan untuk menghilangkan sebagian pelarut dengan  cara menguapkan pelarut tersebut. Oleh karena itu, diperlukan uap air sebagai medium pemanas.

Dalam skala industri, dengan jumlah bahan yang dipekatkan cukup banyak, ( dengan kecepatan aliran massa sebanyak ribuan kg/jam), maka pemekatan larutan dengan menggunakan system evaporator efek tunggal akan banyak memerlukan jumlah uap air sebagai medium pemanas, sehingga ongkos pengadaan uap air akan menambah  ongkos produksi secara keseluruhan. Disamping itu dalam system evaporator efek tunggal panas yang dibawa oleh uap air yang meninggalkan evaporator (sebagai hasil penguapan pelarut) akan terbuang (tidak dimanfaatkan). Hal ini jika penanganannya kurang cermat akan mengakibatkan terjadinya polusi dalam ruang kerja. Berdasarkan tinjauan ekonomi dan teknis diatas, untuk mereduksi biaya dan untuk memanfaatkan panas yang dibawa oleh uap air yang meninggalkan evaporator,  perlu digunakan evaporator multi efek.

Makalah ini bertujuan menjelaskan bagaimana langkah- langkah perhitungan dalam perancangan system evaporator efek tiga, yang digunakan untuk memekatkan larutan gula dari 10% berat gula manjadi larutan 50% berat gula.  Perhitungan dilakukan dengan bantuan konsep neraca massa dan neraca panas. Perhitungan disini bertujuan menentukan kuantita bahan- bahan yang keluar dari satu evaporator maupun yang masuk ke dalam evaporator lainnya (meliputi: jumlah larutan gula jenuh, dan uap air yang meninggalkan evaporator), disamping itu  akan ditentukan  besaranya luas permukaan perpindahan panas dari tiap-tiap evaporator (A) dan banyaknya uap air ( S = steam) yang diperlukan sebagai  medium pemanas pada evaporator 1.

 

 

  1. KONSEP NERACA MASSA DAN NERACA PANAS

Dalam bidang Teknik Kimia, untuk menyelesaikan suatu masalah ( terutama pada bidang perancangan alat proses), selain konsep-konsep kimia  diperlukan juga  konsep-konsep matematika  sebagai sarana penyelesaiannya/ perancangannya. Konsep matematika yang digunakan dalam perancangna evaporator adalah “konsep neraca massa” dan “konsep neraca panas”. Dalam hal ini adalah konsep neraca massa dan neraca panas untuk proses steady state

Neraca massa diturunkan dari hokum kekekalan massa; yang menyatakan bahwa untuk proses yang steady (tunak) dan tidak terjadi reaksi kimia  maka massa bahan- bahan (zat) yang masuk  ke dalam suatu alat proses sama dengan massa bahan- bahan yang keluar dari alat proses tersebut.  Demikian juga konsep neraca panas menyatakan bahwa  untuk proses yang steady (tunak), maka jumlah panas yang masuk sama dengan  jumlah panas yang kelaur dari  alat proses tersebut.

 

 

  1. C.    SYSTEM  EVAPORATOR EFEK TIGA

Seperti telah disebutkan di atas, untuk mengurangi ongkos pengadaan uap air sebagai pemanas dan untuk mengantisipasi terjadinya polusi panas dalam ruang kerja,  maka digunakan beberapa buah evaporator yang dipasnag seri. System ini dikenal dengan system evaporator multi efek. Apabila digunakan 3 buah rekator, disebut dengan system evaporator efek tiga. Gambar sederhana dari system evaporator efek tiga dapat dilihat pada Gambar 1.

Dalam system evaporator efek tiga, tiap- tiap evaporator bertindak sebagai evaporator tunggal. Dalam system efek tiga, sejumlah uap air digunakan sebagai  medium pemanas untuk evaporator 1, dan  larutan dalam evaporator I akan mendidih pada kondisi T1 dan P.1.  Uap yamg keluar dari evaporator 1 ( sebesar V1),  digunakan sebagai medium pemanas pada Evaporator 2, yang akan menguapkan air dalam evaporator 2 dalam  kondisi T2 dan P2.  Demikian juga uap yang keluar dari evaporator 2 akan digunakan sebagai medium pemanas pada evaporator 3, yang  akan menguapkan air pada kondisi T3 dan P3. Apabila System evaporator efek tiga ini bekerja dalam kondisi steady  state,  maka kecepatan aliran bahan dan kecepatan penguapan di tiap- tiap evaporator akan  konstan.

Kasus yang  akan dijelaskan dalam makalah ini adalah : suatu system evaporator efek tiga digunakan untuk memekatkan larutan gula 10% berat,  sebanyak 22680 kg/jam, menjadi larutan gula 50% berat.  Larutan gula 10%  (F) dimasukkan  ke dalam evaporator 1 pada suhu 26,7 0C ( = 80 0F). Sebagai medium pemanas digunakan uap air  (S) pada tekanan 205,5 kPa (= 29,8 psia) dan pada suhu 121,1 0C ( = 250 0F). Tekanan uap pada evaporator 3 sebesar 13,4 kPa (= 1,94 psia). Harga panas jenis dari larutan didekati dengan  persamaan: cp = 4,19 – 2,35 x kJ. ( x = fraksi berat gula dalam  larutan). Diketahui harga koefisien perpindahan panas untuk  larutan dalm tiap- tiap evaporator berturut- turut : U1 = 550; U2 = 350 dan U3 = 200 Btu// j. ft2.  Apabila  ketiga evaporator tersebut mempunyai luas permukaan perpindahan panas yang sama (A1 = A2 = A3), maka dapat ditentukan:

  1. Besarnya luas permukaan perpindahan panas ( A1, A2 dan A3)
  2. Besarnya kecepatan uap air  sebagai medium pemanas untuk evaporator 1 (S)
  3. Jumlah  larutan yang  keluar  dari tiap- tiap evaporator (l1, L2 dan L3)
  4. Jumlah uap air yang keluar dari  tiap- tiap evaporator (V1, V2 dan V3)

 

Langkah- langkah penyelesaian: (Geankoplis, C.J, 1991)

Perhitungan dilakukan dengan cara  coba- coba.

 

1. Menentukan kenau\ikan titik didih larutan

Mem\nentukan  kenaikan titik didih larutan (KTD )dalam tiap- tiap evaporator

            Persamaan yang digunakan: (KTD)i = 1,78 xi + 6,22 xi2                                ………(1)

                                                            ( i  = 1 s.d 3 )

            Diperoleh (KTD)1 = 0,36 0C; (KTD)2 = 0,65 0C; (KTD)3 = 2,45 0C

Sehingga T3 = 51,67 + 2,45 = 54,12 0C

 

2. Menghitung L1, L2, L3, V1, V2 dan V3

a. Membuat neraca massa komponene keseluruhan :

F xF = L3 x3 + (V1 + V2 + V3) 0                                                           ………. (2)

—à  Diperoleh harga L3 = 4536 kg/j.

b. Membuat  neraca massa total (untuk seluruh evaporator) :

F = L3 + (V1 + V2 + V3 ),                                                                 ……….(3)

diperoleh ( V1 + V2 + V3) = 18144 kg/j

Diambil V1 = V2 = V3 = 15144/3 = 6048 kg/j.

 

c. Membuat neraca massa  untuk tiap- tiap evaporator:

Ev 1: F   = V1 + L1,                                                                            ……….(4)

diperoleh harga L1 = 16632 kg/j

    Ev 2: L1 = V2 + L2,                                                                            ……….(5)

diperoleh harga L2 = 10584 kg/j

Ev 3: L2 = V3 + L3,                                                                             ………(6)

diperoleh harga L3 = 4536 kg/j

 

c. Membuat neraca  massa komponen untuk tiap- tiap evaporator:

Ev1:  F (xF)   = L1 (x1),                                                                       ………(7)

diperoleh harga x1 = 0,136

Ev2 : L1 (x1) = L2 (x2),                                                                      ……….(8)

diperoleh harga x2 = 0,214

Ev3 : L2 (x2) = L3 (x3),                                                                       ………(9).

diperoleh harga x3 = 0,500

 

3. Menghitung suhu  embunan uap air (sebagai medium pemanas yang keluar dari tiap-    tiap evaporator (Ts1, Ts2 dan Ts3)

Persamaan yang digunakan :

Ev1 : T1 = Ts1 –  T1,                                                               ………..(10)

diperoleh harga Ts1 = 121,10C

Ev2 : Ts2 =  T1 – (KTD)1,                                                                    ………(11)

diperoleh harga Ts2 = 105,8 0C

Ev 3 : Ts3 = T2 – (KTD)2,                                                                    ………(12)

diperoleh harga Ts3 = 86,19 0C

Harga- harga ini digunsksn untuk menghitung       S1,       S2  dan       S3

 

4. Menentukan luas permukaan perpindahan panas tiap- tiap evaporator (A1, A2, A3)

Untuk menentukan A1, A2 dan A3 digunakan konsep neraca panas:

Qi = Ui Ai    Ti;                                                                                 ………(13)

Qi = panas yang diberikan oleh uap air sebagai medium pemanas

Untuk evaporator ke i

Ui = Koefisien perpindahan panas pada evaporator ke i

Ti = Kenaikan titik didih larutan dalam evaporator (KTD)i

i   = evaporator ke 1,2 dan 3

 

Persamaan diatas dapat dituliskan : Ai = Qi/ (Ui)(    Ti)             …..……… (14)

Harga Qi  dicari dari persamaan : Qi =  S    Si                                      …………..(15)

Dari perhitungan ditemukan harga

LS1 = 2200 kJ/kg;    S2 = 2244 kJ/kg dan    S3 = 2294 kJ/kg

Jika harga S telah diketahui dari hasil perhitungan diatas, maka:

Q1 = 5,460 x 106 W;  Q2 = 3,492 x 106 W dan Q3 = 3,830 x 106 W

 

Dengan persamaan (14), dengan  harga  Q1, Q2 dan Q3 ini maka dapat dihitung harga A1 = 112,4 m2; A2 = 95,8 m2 dan A3 = 105,1 m2.

 

5. Langkah 5 : Checking harga A1, A2 dan A3 hasil hitungan.

Dari hasil hitungan dapat dihitung harga A rerata atau Am = (112,4 + 95,8 + 105,1) /3 = 104, 4 m2. Karena masing- masing harga A tidak sama dengan harga Am, maka perlu dilakukan perhitungan kembali.

 

6: Mengulang langkah 2) sampai dengan 5)

Langkah ini bertujuan untuk menentukan A1, A2 dan A3 dengan urutan yang sama, mulai dari langkah 2) sampai dengna langkah 5) dengan menggunakan harga L1, L2 dan L3 berturut- turut = 17005, 10952 dan 4536 kg/j.

Dengan  urutan yang sama, diperoleh harga A1 = 104,56 m2; A2 = 105,6 m2  dan A3 =104,9 m2 serta Am = 104,4 m2. Ternyata harga A1, A2 dan A3 hampir sama atau dapat dikatakan sama dengna harga Am. Berdasarkan ini, maka berarti harga A1, A2 dan A3 yang terakhir ini adalah harga luas permukaan perpindahan panas untuk tiap- tiap evaporator.Dengan demikian maka perhitungan dihentikan.

 

 

D  KESIMPULAN

Berdasarkan langkah- langkah perhitungan dimuka, maka dapat disimpulkan: bahwa system evaporator efek tiga yang digunakan untuk memekatkan larutan gula 10% sebanyak 22680 kg/j menjadi larutan gula 50%, mempunyai spesifikasi sebagai berikut:

  1. Besarnya luas permukaan perpindahan panas A1=104,6 m2, A2 = 105,6 m2 dan A3 = 104,9 m2
  2. Besarnya kecepatan uap air  sebagai medium pemanas untuk evaporator 1=

S = 8960 kg/j

  1. Jumlah  larutan yang  keluar  dari tiap- tiap evaporator L1 = 17005  kg/j,

L2 = 10952 kg/j dan L3 = 4536 kg/j

  1. Jumlah uap air yang keluar dari  tiap- tiap evaporator: V1 = 5675 kg/j;

V2  = 6053 kg/j dan V3 = 6416 kg/j

Iklan

01/01/2013 - Posted by | BIOKIMIA | , , , ,

2 Komentar »

  1. TRIMAKASIH MBK ENDANG… SANGAT MEMBANTU SAYA DALAM BELAJAR

    Komentar oleh RAHMATULAH | 01/22/2014

  2. Terimakasih mbk Endang, tulisannya sangat membantu dalam penulisan penelitian. dimisalkan evavoratornya 4 maka perhitungannya sama tigala mencari yang ke 4 ?

    Komentar oleh gun | 02/26/2014


Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: