1

EVAPORASI

Cianjur, 8 Juni 2012

Dr. Suhartono

KEMENTRIAN PENDIDIKAN NASIONAL

PUSAT PENGEMBANGAN DAN PEMBERDAYAAN

PENDIDIK DAN TENAGA KEPENDIDIKAN PERTANIAN

Email: shtstj@yahoo.co.id

HP: 08122149457

EVAPORASI

I. PENDAHULUAN

1.1 Konstruksi Dasar Evaporator

1.2 Pepindahan Kalor di dalam Evaporators

1.3 Pengaruh sifat larutan umpan terhadap evaporasi

1.4 Neraca Massa

​

II.PERALATAN YANG DIGUNAKAN UNTUK EVAPORATOR

2.1 Evaporator Sirkulasi Natural

2.2 Evaporator Sirkulasi Paksa

2.3 Evaporator Tabung Panjang

III HEAT CONSERVATION

3.1 Multiple Effect Evaporators

3.2 Vapour Recompression

​

2

I. PENDAHULUAN

Definisi: Evaporasi, salah satu metoda yang digunakan untuk pengentalan larutan, dengan pelepasan air dari larutan tersebut melalui pendidihan di dalam suatu bejana, evaporator serta mengeluarkan hasil uapnya.

​

Manfa’at utama evaporasi di dalam industri pangan :

a. Pengentalan awal cairan sebelum proses lanjut

b. Pengurangan volume cairan

c Untuk menurunkan aktivitas air

​

Cara kerja

Evaporasi dilakukaan dengan menambahkan kalor pada larutan untuk menguapkan bahan pelarut. Secara prinsip kalor dipasok untuk kalor laten penguapan.

​

Syarat Perancangan:

Desain suatu unit evaporasi memerlukan aplikasi praktis data perpindahan kalor pada cairan yang sedang mendidih, bersama dengan realisasi apa yang terjadi terhadap cairan selama pengentalan

3

• Evaporasi: pengurangan air dari bahan encer untuk mendapatkan produk cair konsentrat
• Prinsip: menghilangkan sebagian air dari bahan pangan cair dengan cara pemanasan
• Pemisahan/penguapan air disebabkan oleh perbedaan volatilitas antara air dan padatan
• Keuntungan: stabilitas mikrobiologis dan mengurangi biaya tranportasi dan penyimpanan
• Contoh: pembuatan pasta tomat→TS 35-37 dari evaporasi air juice tomat yg awalnya TS 5-6%

• Fungsi evaporasi:
• Digunakan untuk pemekatan sblm pengeringan, pembekuan/sterilisasi untuk mengurangi berat dan volume→menghemat energi utk penyimpanan, transport dan distribusi
• Evaporasi meningkatkan kadar total solid, menurunkan Aw: lebih awet
• Lebih praktis untuk konsumen
• Merubah flavor, warna makanan
• Evaporasi berbeda dg drying dan destilasi
• Selama evaporasi panas laten ditransfer dari medium panas ke makanan untuk menaikan suhu ke titik didih (panas sensible)

​

​

1.1 Konstruksi Dasar Evaporator

Sistem evaporator industri pada umumnya terdiri atas :

Sebuah penukar kalor untuk memasok kalor sensibel dan kalor laten penguapan pada umpan. Di dalam industri bahan pangan, uap ( steam ) jenuh dipergunakan sebagai medium pemanas.

Sebuah separator yang di dalamnya uap dipisahkan dari phasa cair kentalnya.

Sebuah kondensor untuk penghasil kondensasi uap dan pembuangan dari sistem . Ini dapat dihilangkan jika sistem bekerja pada kondisi atmosphere.

Di dalam industi bahan pangan, resiko kerusakan karena panas pada cairan yang dikentalkan kadangkala meningkat jika evaporasi dilakukan pada tekanan atmospher, sehingga biasanya penguapan dilakukan pada tekanan lebih rendah dari pada tekanan atmosphere.

6

• Evaporator terdiri atas heat exchanger dalam chamber, kontak dg permukaan bahan→perpindahan panas, perbedaan tekanan
• Kondisi vakum dalam ruang evaporasi, suhu didih turun, kerusakan minimal
• Sumber panas: steam, mengalami kondensasi, kondensat/vapor dibuang→single effect
• Jika vapor digunakan lagi untuk media pemanas pd chamber evaporator lain→multiple effect

1.2 Perpindahan Kalor di dalam Evaporator

1.2.1 Koefisien Perpindahan Kalor

Persamaan perpindahan kalor mempunyai bentuk :

​

Q= U A ∆T

​

dimana Q adalah kalor terpindah per satui satuan waktu, U koefisien perpindahan kalor keseluruhan, A luas permukaan perpindahan kalor dan ∆T beda suhu antara dua arus.

​

1.2.2 Hambatan terhadap perpindahan kalor

a. Koefisien perpindahan kalor lapis film kondensasi pada sisi steam dari penukar kalor .

b. Koefisien lapis film cairan yang sedang mendidih pada sisi cairan dari penukar kalor.

c. Faktor karat atau fouling factors pada kedua dinding dalam dan luar pembatas permukan perpindahan kalor .

d. Tahanan panas bahan dinding. The thermal resistance of the wall material.

8

1.2.3 Kenaikan Titik Didih

a. Kenaikan titik didih larutan

Kenaikan titik didih larutan lebih tinggi dari pada pelarut murni pada tekanan yang sama . Semakin kental larutan, semakin tinggi titik didih.

b. Methoda sederhana untuk memperkirakan kenaikan titik didih adalah dengan menggunakan hukum Dühring, yang menyatakan bahwa terdapat hubungan linier antara suhu didih larutan dan suhu didih air pada tekanan yang sama. Kaitan linier tersebut tidak berlaku pada jangkau suhu yang lebar, hanya pada jangkau yang dapat diterima saja.

9

HUBUNGAN ANTARA SUHU, TINGKAT KEVAKUMAN DAN PENGUAPAN AIR

1.3 Pengaruh sifat-sifat larutan umpan terhadap evaporasi

Dasar pemilihan tipe evaporator :

1.3.1 Kekentalan

1.3.2 Fouling

1.3.3 Entrainment dan Foaming

1.3.4 Kepekaan suhu

1.3.5 Kehilangan Aroma

​

1.4 Neraca Masssa

Neraca massa menyatakan bahwa :

input = output

​

​

11

Evaporator efek tunggal (Single effect evaporation):

• Jika evaporator efek tunggal digunakan, kukus dari cairan yang mendidih dikondensasi dan dibuang. Jenis ini dikenal dengan evaporator efek tunggal .
• Sederhana tetapi penggunaan kukus tidak efektif
• Untuk menguapkan 1kg air dari larutan, dibutukan 1,3 kg kukus

​

Evaporator efek majemuk (Multiple effect evaporation):

Meningkatkan penguapan per kg kukus dengan menggunakan evaporator seri antara asupan kukus dan kondensor, karena itu disebut dengan Evaporator efek majemuk

Evaporator

Vapor out

Feed in

Steam in (Saturated vapor)

Product out

Condensate out (Saturated Liquid)

Vapor Separator

Heat Exchanger

Vaccum for non condensable

Condensor unit

Coolant In

Coolant out

II . Peralatan Yang Digunakan Untuk Evaporasi

Tipe-tipe evaporator tersedia sebagai berikut :

2.1 Evaporator Sirkulasi Natural

2.1.1 Evaporator pan terbuka

2.1.2 Tabung horizontal pendek

2.1.3 Tabung vertical pendek

2.1.4 Evaporator sirkulasi natural dengan kalandria luar

​

2.2 Forced Circulation Evaporators

​

2.3 Long Tube Evaporators

15

Vapor Out m_vh_v

Steam in m_sh_s

Condensate out

m_ch_c

Water in m_wh_w

Q_E

Q_L

17

Skema evaporator :

dimana :

m : massa (kg)

T : suhu (⁰C)

H : enthalpi (kJ/kg)

x : kadar (%)

y : kadar (%)

W: berat ( N)

subkrip:

f : umpan

u : uap air

s : steam

L : larutan

i : inlet

o : outlet

Kinerja Evaporator

Faktor-faktor yang berpengaruh pada kapasitas dan keekonomian

q = U A ΔT = UA (T – T_f)

21

22

23

Sistem Kontrol Evaporator

• Menggunakan sistem kontrol kalang terbuka (open loop system), sehingga tidak ada sinyal feedback dari input terhadap output.
• Sensor pada output berguna untuk mengukur nilai output, apakah sudah sesuai atau belum sesuai yang diinginkan
• Nilai dari variabel input ditentukan oleh operator.
• Variabel input:

F, TF, S

• Variabel output:

L, XL, V, C, Ttabung

​

​

pompa

Desired feed

Heater

Desired Tf

Tf

kompresor

Desired steam

Sensor aliran

Hasil pembacaan

debit vapour (V)

Sensor aliran

Liquid (L)

Hasil pembacaan

debit liquid (L)

XL

Sensor

Konsentrasi

Hasil pembacaan

XL

Sensor

aliran

C

Sensor suhu

Pembacaan suhu tabung

Ttabung

• Beer and Beverages
• Edible Oil Industry
• Specialty Chemical
• Dyes and Pigments
• Soap and Biofuels

Other application include

• Starch Industry
• Dairy Industry
• Food Industry
• Pulp and Paper
• Textile Industry

• Alcohol Industry
• Pharmaceutical Industry
• Natural Products
• Chlor-Alkali
• Petrochemical and Polymer Industry

APPLICATIONS:

• These types of evaporators are widely used in industries for salting, viscous and scale forming solutions.

EVAPORASI SUSU

• Penguapan air→konsentrat komponen susu (laktosa, protein, lemak dan padatan)
• Hasil: susu kental dg kadar padatan 47-50%
• Penguapan suhu 100°C→kerusakan nutrisi
• Kondisi vakum: air menguap pada suhu 50-70°C

​

2.3.4 Contoh

2.3.4.1. Evaporator Efek Tunggal

Sebuah evaporator efek tunggal digunakan untuk mengentalkan 7 kg/s larutan dari 10 menjadi 50% padatan. Steam tersedia pada 205 kN/m² dan evaporasi berlangsung pada 13.5 kN/m². Jika koefisien perpindahan kalor keseluruhan 3 kW/m².K, hitunglah pemukaan pemanasan yang diperlukan serta jumlah steam yang digunakan jika umpan ke evaporator berada pada 294 K dan kondensat keluar dari ruang pemanasan pada 352.7 K. diketahui kalor spesifik larutan 10 % = 3.76 kJ/kg.K; kalor spesifik larutan 50% = 3.14 kJ/kg.K. Asumsikan tidak ada kenaikan titik didih.

Solusi:

Dari tabel uap, dengan asumsi steam kering dan jenuh pada 205 kN/m², suhu steam = 394 K dan enthalpi total= 2530 kJ.kg^-1.

Pada 13.5 kN/m² air mendidih pada 325 K. Selama tidak ada kenaikan titik didih, akan dipakai sebagai suhu evaporasi. Enthalpi total steam pada 325 K adalah 2594 kJ/kg.

Umpan yang mengandung 10 % padatan dipanaskan dari 294 K sampai 325 K yang merupakan suhu operasi evaporasi berlangsung.

33

Neraca massa

Padatan Air Total

kg/s kg/s kg/s

Umpan 10% 0.7 6.3 7

Produk 50% 0.7 0.7 1.4

Evaporasi 5.6 5.6

​

Dengan menggunakan suhu acuan 273 K:

Kalor masuk bersama umpan= (7.0 x 3.76) (294 - 273) = 552.7 kW

Kalor keluar bersama produk = (1.4 x 3.14) (325 - 273) = 228.6 kW

Kalor keluar bersama air teruapkan = (5.6 x 2594) = 14526 kW

∴kalor terpindah dari steam = (14526 - 228.6) - 552.7 = 14202 kW

Steam mengembun keluar pada 352.7 K, dengan enthalpi = 4.18 (352.7 - 273) = 333.2 kJ/kg

∴kalor terpindah dari 1 kg steam = (2530 - 333.2) = 2196.8 kJ/kg

maka steam yang dibutuhkan = 14202 kW/ (2196.8 kJ /kg)= 6.47 kg/s

​

34

Beda antara suhu steam yang mengembun dan suhu air yang menguap sebagai pemanasan pendahuluan larutan yaitu

​

∆T = (394 - 325) = 69 K

Jadi

​

A , luas permukaan pemanasan ruang evaporator = 68.6 m²

35

2.3.4.1 Contoh 2

Disain Evaporator Efek Tunggal

Jus apel sedang dikentlakan di dalam evaporator tunggal sirkulasi natural. Pada kondisi tunak, larutan jus merupakan umpan pada laju 0.67 kg/s. konsentrasi larutan jus 11% bahan padatan total. Jus dikentalkan sampai 75% padatan total. Kalor spesifik larutan apel dan konsentrat masing-masing 3.9 dan 2.3 kJ/kg.°C. Tekanan uap terukur sebesar 304.42 kPa. Suhu masuk umpan 43.3 °C. Produk di dalam evaporator mendidih pada 62.2 °C. Koefisien perpindahan kalor keseluruhan 943 W/m².°C. Asumsikan tidak ada kenaikan titik didih.

Hitunglah laju alir massa produk konsentrat, kebutuhan steam, ekonomi steam dan area perpindahan kalor !

Solusi:

Diketahui : Laju alir massa umpan, m_f = 0.67 kg/s

Konsentrasi umpan x_f = 0.11

Konsentrasi produk x_p = 0.75

Tekanan Steam = 304.42 kPa

Suhu umpan T_f = 43.3 °C

Suhu pendidihan dalam evaporator, T₁ = 62.2 °C

Koefisien perpindahan kalor keseluruhan = 943 W.m-2.K-1

Kalor spesifik larutan umpan cp_f = 3.9 kJ/kg.°C

Kalor spesifik produk konsentrat cp_p = 2.3 kJ/ kg.°C

36

Pendekatan

Akan digunakan neraca massa dan kalor untuk menentukan yang belum diketahui. Nilai enthalpi untuk steam dan uap diperoleh dari tabel uap.

Neraca massa : 0.11 x 0.67 kg.s^-1 = 0.75 m_p m_p = 0.098 kg/s

Jadi laju alir massa produk konsentrat adalah 0.098 kg/s dan laju alir massa uap sebesar 0, 57 kg/s .

Neraca kalor : Memerlukan penyelesaian neraca enthalpi berikut

m_fH_f + m_sH_v = m_vH_v + m_pH_p + m_sH_c

umpan + steam = uap + produk + kondensat

Tentukan H_f dan H_p seperti berikut :

H_f = 3.9 x (43.3 -0) = 168.9 kJ/kg

H_p= 2.3 x (62.2 - 0) = 143.1 kJ/kg

Dari tabel uap :

Suhu steam pada 304.42 kPa = 134 °C

Enthalpi uap jenuh H_v (T_s = 134 °C) = 2725.9 kJ/kg

37

Solution

Enthalpi untuk kondensat jenuh H_c (T_s = 134 °C) = 563.41 kJ/kg

Enthalpi untuk uap jenuh H_v (T_s = 134 °C) = 2613.4 kJ/kg

m_fH_f + m_sH_v = m_vH_v + m_pH_p + m_sH_c

umpan + steam = uap + produk + kondensat

​

(0.67 x 168.9) + (ms x2725.9) = (0.57 x2613.4) + (0.098 x 143.1) + (m_s x 563.41)

2162.49 m_s = 1390.5

m_s = 0.64 kg/s

Ekonomi Steam :

Gunakan m_v / m_s = 0.57/0.64 = 0.89 kg air diuapkan/kg steam

Luas permukaan penukar kalor :

Gunakan rumus q = UA (T_s - T₁) = m_s.H_v - m_s.H_c

A x 943 x (134 - 62.2) = 0.64 x 1000 (2725.9 - 563.14)

A = luas permukaan pertkaran kalor yang diperlukan seluas 20.4 m²

38

III. KONSERVASI KALOR

3.1. Evaporator Efek Banyak (Multiple Effect Evaporators)

3.1.1. Pronsip Umum

Ditinjau dirangkai tiga buah evaporator ,masing-masing unit memiliki suhu dan tekanan T₁, T₂, T₃, dan P₁, P₂, P₃, jika cairan tidak mempunyai kenaikan titik didih maka kalor terpindah per satu satuan waktu melintas setiap efek akan menjadi :

Efef 1 Q₁ = U₁ A₁ ∆ T₁, dimana ∆ T₁ = (T_o - T₁),

Efek 2 Q₂ = U₂ A₂ ∆ T₂, dimana ∆ T₂ = (T_l - T₂),

Efek 3 Q₃ = U₃ A₃ ∆ T₃, dimana ∆ T₃ = (T₂ - T3)

T_o = suhu steam awal, T_f = suhu umpan. Dengan mengabaikan kalor yang diperlukan untuk memanasi umpan dari T_f to T₁, kalor Q₁ yang dipindah melintas A₁ muncul sebagai kalor laten di dalam uap ∆₁ dan digunakan sebagai steam dalam efek kedua , dan :

Q₁ = Q₂ = Q₃

sedemikian hingga

U₁ A₁ ∆ T₁ = U₂ A₂ ∆ T₂ = U₃ A₃ ∆ T₃

39

Jika , seperti dalam banyak kasus. Masing-masing efek sama , A₁ = A₂ = A₃, sehingga :

​

U₁ ∆ T₁ = U₂ ∆ T₂ = U₃ ∆ T₃

​

Simplifikasi ditunjukkan dengan :

​

(a) kalor yang dibutuhkan untuk memanasi umpan dari T_o ke T₁ telah diabaikan, dan

(b) cairan yang melintas dari efek (1) ke efek (2) membawa kalor ke dalam efek ke dua dan ini dipergunakan untuk evaporasi demikian pula sama untuk efek ke tiga .

Air yang diuapkan di dalam setiap efek sebanding dengan Q selama kalor laten mendekati konstan.

Jadi kapasitas totalnya,

Q= Q₁ = Q₂ = Q₃

= U₁ A₁ ∆ T₁ = U₂ A₂ ∆ T₂ = U₃ A₃ ∆ T₃

Jika dipergunakan nilai rata-rata koefisien Uav maka

Q = Uav (∆ T₁ + ∆ T₂ + ∆ T₃) A

dengan asumsi luas setiap efek sama .

​

40

3.1.3 Contoh

3.1.3.1 Suhu di dalam efek-efek evaporator efek banyak

Sebuah evaporator tiga efek mengentalkan suatu cairan dengan tanpa kenaikan titik didih . Jika suhu steam pada efek ke satu sebesar 395 K dan vakum diberlakukan pada efek ke tiga sehinga titik didihnya sebesar 325 K, berapakah titik-titik didih di dalam ke tiga efek tersebut ? Diambil koefisien perpindahan kalor keseluruhan masing-masing 3.1, 2.3 dan 1.1 kW/ m².K .

Solusi

Untuk beban thermal yang sama dalam tiap efek , yaitu Q₁ = Q₂ = Q₃,

U₁A₁ ∆ T₁ = U₂A₂ ∆ T₂ = U₃A₃ ∆ T₃

atau untuk area pertukaran kalor yang sama dalam setiap efek

U₁ ∆ T₁ = U₂ ∆ T₂ = U₃ ∆ T₃

Dalam hal ini ,

3.1 ∆ T₁ = 2.3 ∆ T₂ = 1.1 ∆ T₃

∆ T₁ = 0.742 ∆ T₂ dan ∆ T₃ = 1.091 ∆ T₂

41

Sekarang

Σ ∆ T = ∆ T₁ + ∆ T₂ + ∆ T₃ = (395 - 325) = 70 K

0.742 ∆ T₂ + ∆ T₂ + 1.091 ∆ T₂ = 70

∆ T₂ = 18.3 K

dan ∆ T₁ = 13.5 K, ∆ T₃ = 38.2 K

​

Suhu di dalam setiap efek karenanya adalah :

T₁ = (395 - 13.5) = 381.5 K

T₂ = (381.5 - 183) = 363.2 K

T₃ = (363.2 - 38.2) = 325 K

42

3.1.2 Operasi Sistem Evaporator Efek Banyak

3.1.2.1 Forward Feeding

3.1.2.2 Backward feeding

3.1.2.3 Mixed feeding

​

3.2 Vapour Recompression

Tiga metoda untuk meningkatkan kinerja, baik dengan pengurangan langsung konsumsi steam atau dengan meningkatkan efsiensi energi keseluruhan unit :

(a) Operasi efek banyak

(b) Rekompresi uap yang keluar dari evaporator .

(c) Evaporasi pada suhu rendah dengan menggunakan siklus pompa panas.

​

43

44

Aliran skematik rangkaian evaporasi efek banyak tipe forward feed

45

46

3.2.1 Rekompresi Uap Panas

​

Rekompresi panas mencakup penggunaan jet booster untuk mengkompresi kembali uap yang keluar . Sistem ini dipakai pada evaporator efek tunggal atau efek pertama dari evaporator efek banyak dengan steam tekanan tinggi serta serta steam tekanan rendah untuk proses evaporasi.

3.2.2 Mechanical Vapour Recompression

Rekompresi uap mekanis mencakup kompresi uap yang keluar dari evaporator. Kompresi uap dicapai :

Kesulitan utama : volume uap yang sangat besar

​

Aplikasi sistem :

Uap yang keluar dari efek pertama sistem efek banyak

Larutan dengan kenaikan titik didih rendah

​

47