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 (x_i ) 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 = A_3;; 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.

 

 

2. 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: c_p = 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 x_i + 6,22 x_i²                                ………(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 x_F = 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 (x_F)   = 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:

Q_i = U_i A_i    T_i;                                                                                 ………(13)

Q_i = panas yang diberikan oleh uap air sebagai medium pemanas

Untuk evaporator ke i

U_i = Koefisien perpindahan panas pada evaporator ke i

T_i = Kenaikan titik didih larutan dalam evaporator (KTD)_i

i   = evaporator ke 1,2 dan 3

 

Persamaan diatas dapat dituliskan : A_i = Q_i/ (U_i)(    T_i)             …..……… (14)

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

Dari perhitungan ditemukan harga

L_S1 = 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 A_m = (112,4 + 95,8 + 105,1) /3 = 104, 4 m². Karena masing- masing harga A tidak sama dengan harga A_m, 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 A_m = 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

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

L_{2 =} 10952 kg/j dan L₃ = 4536 kg/j

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

V₂  = 6053 kg/j dan V₃ = 6416 kg/j

Glukosa Darah

Glukosa adalah gula yang terpenting bagi metabolisme tubuh, dikenal juga sebagai gula fisiologis. Dalam ilmu kedokteran, gula darah adalah istilah yang mengacu kepada tingkat glukosa di dalam darah (Anoymous, 2008). Sedangkan dalam tumbuhan Glukosa 6-fosfat yang dihasilkan selama fotosintesis adalah precursor dari tiga jenis karbohidrat tumbuhan , yaitu sukrosa, pati dan selulosa (Lehninger, 1982). Konsentrasi gula darah, atau tingkat glukosa serum, diatur dengan ketat di dalam tubuh. Glukosa yang dialirkan melalui darah adalah sumber utama energi untuk sel-sel tubuh. Umumnya tingkat gula darah bertahan pada batas-batas yang sempit sepanjang hari: 4-8 mmol/l (70-150 mg/dl). Tingkat ini meningkat setelah makan dan biasanya berada pada level terendah pada pagi hari, sebelum orang makan. Diabetes mellitus adalah penyakit yang paling menonjol yang disebabkan oleh gagalnya pengaturan gula darah (Anoymous, 2008)
Meskipun disebut “gula darah”, selain glukosa, kita juga menemukan jenis-jenis gula lainnya, seperti fruktosa dan galaktosa. Namun demikian, hanya tingkatan glukosa yang diatur melalui insulin dan leptin (Anoymous, 2005)

Pengaruh langsung dari masalah gula darah

Bila level gula darah menurun terlalu rendah, berkembanglah kondisi yang bisa fatal yang disebut hipoglikemia. Gejala-gejalanya adalah perasaan lelah, fungsi mental yang menurun, rasa mudah tersinggung, dan kehilangan kesadaran. Bila levelnya tetap tinggi, yang disebut hiperglikemia, nafsu makan akan tertekan untuk waktu yang singkat. Hiperglikemia dalam jangka panjang dapat menyebabkan masalah-masalah kesehatan yang berkepanjangan pula yang berkaitan dengan diabetes, termasuk kerusakan pada mata, ginjal, dan saraf (Anoymous, 2008)

Gula Reduksi

Gula reduksi adalah gula yang mempunyai kemampuan untuk mereduksi. Hal ini dikarenakan adanya gugus aldehid atau keton bebas. Senyawa-senyawa yang mengoksidasi atau bersifat reduktor adalah logam-logam oksidator seperti Cu (II). Contoh gula yang termasuk gula reduksi adalah glukosa, manosa, fruktosa, laktosa, maltosa, dan lain-lain. Sedangkan yang termasuk dalam gula non reduksi adalah sukrosa (Team Laboratorium Kimia UMM, 2008).
Salah satu contoh dari gula reduksi adalah galaktosa. Galaktosa merupakan gula yang tidak ditemui di alam bebas, tetapi merupakan hasil hidrolisis dari gula susu (laktosa) melalui proses metabolisme akan diolah menjadi glukosa yang dapat memasuki siklus kreb’s untuk diproses menjadi energi. Galaktosa merupakan komponen dari Cerebrosida, yaitu turunan lemak yang ditemukan pada otak dan jaringan saraf (Budiyanto, 2002).
Sedangkan salah satu ontoh dari gula reduksi adalah Sukrosa. Sukrosa adalah senyawa yang dalam kehidupan sehari-hari dikenal sebagai gula dan dihasilkan dalam tanaman dengan jalan mengkondensasikan glukosa dan fruktosa. Sukrosa didapatkan dalam sayuran dan buah-buahan, beberapa diantaranya seperti tebu dan bit gula mengandung sukrosa dalam jumlah yang relatif besar. Dari tebu dan bit gula itulah gula diekstraksi secara komersial (Gaman, 1992).

DAFTAR PUSTAKA

Anoymous. 2008. Gula Darah. (Online). (www.wikipedia.org). Diakses Tanggal 17 Oktober 2008.
Anoymous. 2008. Penolakan Insulin. (Online). (www.wikipedia.org). Diakses Tanggal 17 Oktober 2008.
Anoymous. 2005. Jumlah Penderita Diabetes Indonesia Ranking ke-4 Di Dunia. (www.depkes.go.id). Diakses Tanggal 17 Oktober 2008.
Budiyanto, M.A.K. 2002. Dasar- Dasar Ilmu Gizi. UMM Press: Malang.
Gaman, P.M. dan K.B. Sherington. 1992. Ilmu Pangan: Pengantar Ilmu Pangan Nutrisi dan Mikrobiologi. UGM Press: Jogjakarta.
Lehninger, Albert. 1982. Dasar-Dasar Biokimia. Erlangga: Jakarta.
Team Laboratorium Kimia UMM. 2008. Penuntun Praktikum Biokimia Bioligi. Laboratorium Kimia UMM: Malang.