06_evaporasi

7/29/2019 06_Evaporasi

1/28

BAB VI

PROSES EVAPORASI

6.1. Pendahuluan

Evaporasi adalah salah satu kaedah utama dalam industri kimia untuk

memekatkan larutan yang encer. Pengertian umum dari evaporasi ini adalah

menghilangkan air dari larutan dengan mendidihkan larutan didalam tabung yang

sesuai yang disebut evaporator. Evaporasi bertujuan untuk memekatkan larutan yang

terdiri dari zat terlarut yang tidak mudah menguap dan pelarut yang mudah menguap.

Dalam kebanyakan proses evaporasi, pelarut yang digunakan adalah air.

Evaporasi dilaksanakan dengan menguapkan sebagian dari pelarut sehinggadidapatkan larutan zat cair pekat yang konsentrasinya lebih tinggi. Evaporasi tidak

sama dengan pengeringan; dalam evaporasi sisa penguapan adalah zat cair, kadang-

kadang zat cair yang sangat viskos, dan bukan zat padat. Evaporasi berbeda pula dari

distilasi karena disini uapnya biasanya komponen tunggal, dan walaupun uap itu

merupakan campuran, dalam proses evaporasi ini tidak ada usaha untuk

memisahkannya menjadi fraksi-fraksi. Evaporasi berbeda dari kristalisasi dalam hal

penekanannya disini ialah pada pemekatan larutan dan bukan pembuatan zat padat

atau kristal. Dalam situasi-situasi tertentu, misalnya pada penguapan air asin untuk

membuat garam, garis pemisah antara evaporasi dan krista1isasi tidaklah dapat

dikatakan tegas. Sebab evaporasi kadang-kadang menghasilkan lumpur kristal di

dalam larutan induk.


2/28

Zuhrina/TK-USU/06 6-2

Lazimnya, dalam evaporasi, zat cair pekat itulah yang merupakan produk

yang berharga dan uapnya biasanya dikondensasikan dan dibuang. Tetapi, dalam

suatu situasi tertentu, kebalikannyalah yang benar. Air yang mengandung mineral

seringkali diuapkan untuk mendapatkan hasil yang bebas zat padat untuk umpan ketel

didih, karena persyaratan khusus proses, dan untuk konsumsi manusia. Teknik ini

biasa disebut disti1asi air (water distillation), tetapi dari segi teknik proses itu adalah

evaporasi. Proses-proses evaporasi skala besar sudah banyak dikembangkan dan

digunakan untuk membuat air minum dari air laut. Di sini hasil yang dikehendaki

adalah air kondensasi. Hanya sebagian kecil saja dari keseluruhan air dalam umpan

yang dipulihkan, sebagian besar dikembalikan ke laut.

Tabulasi perbedaan evaporasi dengan pengeringan, distilasi dan kristalisasi:

Proses (12) No.Proses Keterangan

Evaporasi Pengeringan 1. Sisa penguapan adalah zat cair, kadang-kadang

zat cair yangsangat viskos

2. Sisa penguapan adalah zat padat

Evaporasi Distilasi 1. Uap biasanya komponen tunggal. Jika uap

berupa campuran, tidak ada usaha untuk

memisahkan menjadi fraksi-fraksinya

2. Uap sering berupa campuran dan akan dipisah

menjadi fraksi-fraksinya.

Evaporasi Kristalisasi 1. Permasalahan disini adalah pemekatan larutan

2. Permasalahan: pembuatan zat padatatau kristal.

Evaporasi Kristalisasi : contohnya pada penguapan air asin untuk membuat garam

Evaporasi Distilasi : contohnya pada penguapan air yang mengandung mineraluntuk umpan ketel (boiler). Biasa disebut distilasi air, tetapi dari segi proses adalah

evaporasi.


3/28


Penyelesaian praktis terhadap masalah evaporasi sangat ditentukan oleh

karakteristik zat cair yang akan dikonsentrasikan. Variasi dalam karakteristik cairan

itulah (yang menuntut keahlian dan pengalaman para insinyur dalam merancang dan

mengoperasikan evaporator) yang menyebabkan operasi ini meluas dari perpindahan

kalor sederhana menjadi suatu seni tersendiri. Berikut ini adalah beberapa sifat

penting dari zat cair yang divaporasikan.

Konsentrasi

Walaupun cairan encer yang diumpankan ke dalam evaporator mungkincukup encer sehingga beberapa sifat fisiknya sama dengan air, tetapi jika

konsentrasinya meningkat, larutan itu akan makin bersifat individual. Densitas dan

viskositasnya meningkat bersamaan dengan kandungan zat padatnya, hingga larutan

itu menjadi jenuh, atau jika tidak, menjadi terlalu lamban sehingga tidak dapat

melakukan perpindahan kalor yang memadai. Jika zat cair jenuh didihkan terns, maka

akan terjadi pembentukan kristal; kristal-kristal ini harus dipisahkan karena. Bisa

menyebabkan tabung evaporator tersumbat. Titik didih larutanpun dapat meningkat

dengan sangat cepat bila kandungan zat padatnya bertambah, sehingga suhu didih

larutan jenuh mungkin jauh lebih tinggi dari titik didih air pada tekanan yang sama.

Pembentukan busa

Beberapa bahan tertentu, lebih-Iebih zat-zat organik, membusa pada waktu

diuapkan. Busa yang stabi1 akan ikut ke luar evaporator bersama uap, dan

menyebabkan banyaknya bahan yang terbawa ikut. Dalam hal-hal yang ekstrim,

keseluruhan masa zat cair itu mungkin meluap ke dalam saluran uap keluar dan

terbuang.


4/28


Kepekaan terhadap suhu

Beberapa bahan kimia berharga, bahan kimia farmasi, dan bahan rnakanan

dapat rusak bila dipanaskan pada suhu sedang selama waktu yang singkat saja. Dalam

mengkonsentrasikan bahan-bahan seperti itu diperlukan teknik khusus untuk

mengurangi suhu zat cair dan menurunkan waktu pemanasan.

Kerak

Beberapa larutan tertentu menyebabkan pembentukan kerak pada permukaan

pemanasan. Hal ini menyebabkan koefisien menyeluruh makin lama makin berkurangsampai akhimya kita terpaksa menghentikan operasi evaporator untuk

membersihkannya. Bi1a kerak itu keras dan tak dapat larut, pembersihan itu tidak

mudah dan memakan biaya.

Bahan konstruksi

Bila memungkinkan, evaporator sebaiknya dibuat dari baja. Akan tetapi,

banyak larutan yang merusak bahan-bahan besi, atau menjadi terkontaminasi oleh

bahan itu. Karena itu digunakan juga bahan-bahan konstruksi khusus seperti tembaga,

nikel, baja tahan karat, aluminium, grafit tak-tembus, dan timba1. Oleh karena bahan-

bahan ini relatif mahal, maka laju perpindahan kalor harus tinggi agar dapat

menurunkan biaya pokok peralatan.

Banyak karakteristik lain zat cair juga perlu mendapat perhatian dari

perancang evaporator, antara lain kalor spesifik, kalor konsentrasi, titik beku,

pembebasan gas pada waktu mendidih, sifat racun, bahaya ledak, radioaktivitas, dan

persyaratan operasi steril (suci hama. Oleh karena adanya variasi dalam sifat-sifat zat

cair maka dikembangkan berbagai jenis rancangan evaporator. Evaporator mana


5/28


yang dipilih untuk suatu masalah tertentu bergantung terutarma pada karakteristik zat

cair itu.

6.2. Jenis-Jenis Evaporator

Kebanyakan evaporator dipanaskan menggunakan uap yang dikondensasikan

di atas tabung-tabung logarm. Bahan yang dievaporasikan biasanya mengalir di

dalam tabung. Uap yang digunakan biasanya adalah uap bertekanan rendah, dibawah

3 atm abs; zat cair yang mendidih biasanya berada da1am vakum sedang, yaitu

sampai kira- kira 0,05 atm abs. Berkurangnya suhu didih zat cair menyebabkan bedasuhu antara uap dan zat cair yang mendidih itu meningkat, dengan demikian laju

perpindahan kalor di da1am evaporator itu meningkat pula.

Bila kita menggunakan satu evaporator saja, uap dari zat cair yang mendidih

dikondensasikan dan dibuang. Metoda ini disebut sebagai evaporasi efek-tunggal

(single-effect evaporation). Walaupun sederhana, namun proses ini tidak efektif

dalam penggunaan uap. Untuk menguapkan l lb air dari larutan, diperlukan 1 sampai

1,3 lb uap. Jika uap dari satu evaporator dimasukkan ke dalam rongga uap (steam

chest) evaporator kedua, dan uap dari evaporator kedua dimasukkan ke dalam

kondenser, maka operasi ini akan menjadi efek dua ka1i atau efek-dua (double

effect).

Ka1or uap yang semula digunakan lagi da1am efek yang kedua, dan evaporasi

yang didapatkan oleh satu satuan masa uap yang diumpankan ke da1am efek pertama,

menjadi harmpir lipat dua. Efek ini dapat ditambah lagi dengan cara yang sama.

Metoda yang umum digunakan untuk meningkatkan evaporasi per lb uap dengan

menggunakan sederatan evaporator antara penyediaan uap dan kondenser itu disebut

sebagai evaporasi efek-berganda (multiple effect evaporation).


6/28


Jenis-jenis utama evaporator tabung dengan pemasukan uap yang lazim

dipakai adalah:

1. Evaporator tabung horizontal

2. Evaporator.vertikal tabung panjang

a. Aliran ke atas (film-panjat)

b. Aliran ke bawah (film-jatuh)

c. Sirkulasi paksa .

3. Evaporator film aduk

6.2.1 Evaporator Tabung-Horizontal

Evaporator tabung-horizontal sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar

6.1 adalah merupakan evaporator jenis klasik yang telah lama digunakan. Larutan

yang akan dievaporasikan berada di luar tabung horizontal dan uap mengalir di dalam

tabung horizontal. Tabung horizontal diliputi dan dikelilingi oleh sirkulasi yang alami

dari cairan yang mendidih sehingga meminimumkan pengadukan cairan. Sebagai

hasilnya maka pada evaporator jenis ini dijumpai koefisien perpindahan panas

keseluruhan yang lebih rendah berbanding pada evaporator jenis lain, ini bermanfaat

khususnya untuk mengevaporasikan larutan yang viskos. Koefisien keseluruhan yang

berada antara 200-400 Btu/jam.ft2.0F (1100-2300 W/m2K) akan didapatkan, yang

tergantung pada perbedaan suhu keseluruhan, suhu didih, dan sifat larutan yang

dievaporasikan. Evaporator tabung horizontal biasanya digunakan untuk kapasitas

yang kecil dan untuk mengevaporasikan larutan yang encer dan larutan ini tidak

berbusa dan tidak meninggalkan deposit padatan pada tabung evaporator .


7/28


Gambar 6.1. Evaporator Tabung Horizontal

6.2.2. Evaporator Satu Lintas Dan Evaporator Sirkulasi

Evaporator dapat dioperasikan sebagai unit satu lintas atau sebagai unit

sirkulasi. Evaporator satu 1intas dan evaporator sirku1asi ditunjukkan pada Gambar

6.2 dan Gambar 6.3 secara berturutan. Evaporator ini merupakan pengembangan dari

evaporator tabung-panjang. Pada kedua evaporator ini larutan mendidih di dalam

tabung vertika1 dan media pemanas di luar tabung vertikal. Media pemanas yang

digunakan biasanya uap yang terkondensasi. Pada evaporator satu lintas, cairan

umpan dilewatkan melalui tabung hanya satu kali lewat saja, uapnya lepas dan keluar

dari unit itu sebagai cairan pekat. Seluruh evaporasi dilaksanakan dalam satu lintas

(lawatan) saja.

Pendidihan atau pemanasan cairan di dalam tabung akan menyebabkan aliran

naik ke atas melewati tabung, dan cairan yang tidak menguap mengalir ke bawah dan


8/28


keluar melalui anulus yang terletak di bahagian dasar evaporator. Pada instalasi yang

besar, terdapat beberapa lubang keluaran cairan atau produk dan tidak hanya satu

seperti ditunjukkan pada Gambar 6.2.

Gambar 6.2. Evaporator satu lintas


9/28


Rasio evaporasi terhadap umpan dalam unit satu lintas itu adalah terbatas,

sehingga evaporator jenis ini sesuai untuk operasi efek berganda, di mana pemekatan

tota1 terbagi-bagi dalam beberapa efek. Evaporator film aduk (agitated film

evaporator) selalu dioperasikan dalam satu lintas saja; tetapi evaporator film jatuh

(falling-film evaporator) dan evaporator film panjat (climbing film-evaporator) dapat

pula dioperasikan dengan cara ini. Suhu zat cair dapat dijaga rendah dengan

mengoperasikan unit ini dalam vakum tinggi. Dengan sekali lewatan cepat melalui

tabung-tabung evaporator, cairan pekat itu hanya sebentar saja berada dalam suhu

didihnya, dan dapat didinginkan dengan cepat begitu keluar dari evaporator.

Gambar 6.3. Evaporator sirkulasi


10/28


Pada evaporator sirkulasi (circulation evaporator) terdapat suatu kolam zat

cair di dalam alat itu. Umpan masuk akan bercampur dengan zat cair di dalam kolam,

dan campuran itu lalu dialirkan melalui tabung-tabung evaporator. Zat cair yang tidak

menguap dikeluarkan dari tabung dan kembali ke kolam, sehingga hanya sebagian

saja dari keseluruhan evaporasi yang berlangsung dalam satu lewatan. Evaporasi

sirkulasi paksa semuanya dioperasikan dengan cara ini, evaporator film panjat

biasanya adalah unit sirkulasi.

Cairan pekat dari evaporator sirkulasi dikeluarkan dari kolam. Semua cairan

dalam kolam, oleh karena itu, harus selalu berada dalam konsentrasi maksimum. Oleh

karena zat cair yang masuk tabung itu mengandung beberapa bagian cairan pekat di

dalam setiap bagian umpan, maka konsentrasi, serta densitas, viskositas, dan titik

didihnya selalu mendekati maksimum. Akibatnya, koefisien perpindahan kalornya

akan cenderung rendah.

Evaporator sirkulasi tidak terlalu cocok untuk memekatkan zat cair yang peka

terhadap panas. Dengan menggunakan vakum yang cukup baik, suhu zat cair lindak

dapat dijaga pada tingkat yang tidak merusak, tetapi zat cair itu akan berulang kali

berada dalam kontak dengan tabung panas. Sebagian dari zat cair itu dengan

demikian, akan terpanaskan hingga suhu yang kelewat tinggi. Walaupun waktu

menetap (residence time) zat cair itu dalam zone pemanasan barangkali singkat saja,

sebagian dari zat cair itu mungkin tertahan di dalam evaporator selama beberapa

waktu. Pemanasan yang terlalu lama atas sebagian kecil sajapun dari bahan peka-

panas seperti makanan akan dapat menyebabkan keseluruhan produk itu rusak.

Evaporator sirkulasi, di lain pihak, dapat beroperasi dengan jangkau

konsentrasi yang cukup luas antara umpan dan cairan pekat dalam satu unit saja, dan

cocok pula untuk evaporasi efek tunggal. Alal ini dapat dioperasikan dengan sirkulasi

alamiah, dimana aliran berlangsung melalui tabung dengan disebabkan oleh


11/28


perbedaan densitas, dapat pula dengan sirkulasi paksa, di mana aliran dilaksanakan

dengan pompa.

Pada evapoator satu lintas dan juga evaporator sirkulasi, tabung-tabung

didalamnya dipasang secara rolling dan welding dan tidak secara packing seperti

pada evaporator tabung horizontal. Kedua evaporator satu lintas dan evaporator

sirku1asi juga mempunyai kelebihan operasional berbanding dengan evaporator

tabung horizontal. Pada kedua jenis ini, sirkulasi alami yang dihasilkannya

mempunyai kecepatan 1 hingga 3 ft/detik sehingga koefisien perpindallan panas pada

evaporator ini lebih tinggi dibandingkan evaporator tabung horizontal yaitu pada

rentang 200- 500 Btu/jam.ft2.oF (1100-2800 W/m2K) tergantung kepada baik sifat

larutan, perbedaan suhu keseluruhan, maupun titik didih larutan. Evaporator ini dapat

digunakan untuk larutan yang membentuk deposit padatan, karena padatan yang

terbentuk di dalam tabung dapat dihilangkan dengan pembersihan mekanis.

Evaporator ini juga dapat menangani cairan yang viskos, akan tetapi untuk

evaporator jenis sirkulasi, maka aliran sirkulasi yang terjadi akan bergerak dengan

lambat, dan koefisien perpindahan panasnya menjadi kecil. Sehingga kedua-dua

evaporator vertikal ini adalah sangat berguna untuk kebanyakan proses evaporasi,

akan tetapi tidak sesuai untuk digunakan untuk mengevaporasikan larutan yang

sangat viskos, larutan yang mudah membentuk busa atau untuk menguapkan larutan

dalam masa yang singkat.

6.2.3. Evaporator Sirkulasi Paksa

Evaporator sirkulasi paksa mempunyai bentuk seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 6.4 dan Gambar 6.5. Gambar 6.4 merupakan evaporator sirkulasi paksa

dengan elemen pemanas tersusun vertikal dan berada di dalam tabung.


12/28


Gambar 6.4. Evaporator Sirkulasi Paksa dengan Pemanas Vertikal di dalam Tabung


13/28


Gambar 6.5 merupakan evaporator sirkulasi paksa dengan elemen pemanas

tersusun horizontal dan terletak terpisah dengan tabung. Pada evaporator sirkulasi

paksa, caitan yang akan dievaporasikan dipompakan melewati penukar panas (heat

exchanger) dimana media pemanas mengelilingi pipa-pipa yang membawa cairan

yang akan dievaporasikan. Gabungan penurunan tekanan dan head hidrostatik di

dalam alat ini adalah cukup besar untuk mencegah larutan mendidih di dalam pipa

penukar panas, sehingga uap yang dihasilkan akan tersembur keluar, pada saat cairan

memasuki ruang kosong di dalam tabung.

Gambar 6.5. Evaporator Sirkulasi Paksa dengan Elemen Pemanas Terpisah Horizontal


14/28


Karena kecepatan semburan ada1ah tinggi, di dalam ruang kosong diletakkan

sekat yang berguna untuk memisahkan uap dari larutan yang masih ada. Desain sekat

yang tepat diperlukan untuk mencegah penggabungan gelembung-gelembung kecil

cairan dan juga untuk mencegah perubahan arah dari aliran cairan.

Evaporator sirkulasi paksa yang moderen biasanya ditengkapi dengan pemanas yang

terletak di luar tabung sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6.5, dari pada

evaporator dengan permukaan perpindahan panas yang terletak di da1am badan

tabung sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6.4. Penggunaan pemanas di luar

tabung akan menjadikan evaporator ini lebih sering digunakan karena pembersihan

pipa-pipa pemanas dan penggantian pipa-pipa yang mengalami korosi lebih mudah

dilakukan. Evaporator sirkulasi paksa dengan elemen pemanas terpisah juga

merupakan evaporator yang berbentuk lebih kompak sehingga dapat dipasang pada

ruang dengan tinggi atap yang rendah. Dalam mengevaporasikan cairan umpan,

adalah merupakan hal yang penting untuk mencegah pendidihan di dalam pipa-pipa

elemen pemanas, untuk mengurangi terbentuknya endapan-endapan padatan di dalam

pemanas.

Pada evaporator dengan pemanasan di luar , pendidihan dapat dengan mudah

dicegah dengan cara meletakkan pemanas pada posisi yang lebih rendah

dibandingkan letak ruang pelepasan. Hal ini tidak dapat dilakukan dengan mudah jika

permukaan penukar panas berada di dalam badan evaporator.

Pada evaporator sirkulasi paksa, koefisien perpindahan panas akan bergantung

kepada kecepatan sirkulasi, titik didih, dan sifat-sifat sistem. Pada tingkat sirkulasi

yang rendah, pendidihan akan terjadi disepanjang pipa-pipa pemanas. Pendidihan ini

akan meningkatkan kejatuhan larutan dan menjadikan koefisien pendidihan menjadi

dua ka1i lebih besar berbanding dengan tanpa pendidihan. Fraksi dari cairan yang

menguap ketika melewati pipa akan menjadi kecil, sehingga kecepatan sirkulasi


15/28


keseluruhan yang melalui pipa adalah beberapa kali lebih besar dari kecepatan

umpan.

6.2.4. Evaporator Vertikal Tabung Panjang

Contoh evaporator vertikal tabung panjang dengan alian zat cair ke atas

terlihat pada Gambar 6.6. Tabung-tabungnya biasanya mempunyai panjang 12

hingga 20 ft dengan diameter 1 sampai 2 inci. Bagian-bagian utama evaporator jenis

ini ialah : ( 1) sebuah penukar panas jenis tabung dengan uap dalam selongsong, dan

zat cair yang akan dipekatkan di dalam pipa/tabung, (2) sebuah separator (pemisah)atau ruang uap (vapour space) untuk memisahkan zat cair yang terbawa ikut dari uap,

dan (3) bila a1at ini dioperasikan sebagai unit sirkulasi, sebuah kaki pemulang (return

leg) untuk mengembalikan zat cair dari separator ke bagian bawah penukar panas.

Alat itu mempunyai lubang masuk masing-masing untuk zat cair umpan dan

untuk uap, lubang keluar masing-masing untuk uap, cairan pekat, kondensat uap, dan

gas takmampu kondensasi yang terkandung dalam uap. Zat cair dan uap mengalir ke

atas di dalam tabung sebagai akibat dari peristiwa didih zat cair yang terpisah

kembali ke dasar tabung dengan gravitasi.

Umpan encer, biasanya pada suhu disekitar suhu kamar, masuk ke dalam

sjstem dan bercampur dengan zat cair yang kembali dari separator. Umpan jtu

mengalir ke atas di dalam tabung sebagai zat cair pada jarak tertentu, yang tidak

panjang, sambil menerima kalor dari uap. Di dalam zat cair itu terbentuk gelembung-

gelembung sehingga meningkatkan kecepatan liniernya dan meningkatkan laju

perpindahan panas. Di dekat puncak tabung, gelembung itu bertambah besar dengan

cepat. Pada zone ini gelembung uap berganti-ganti dengan potongan zat cair dalam

tabung naik dengan cepat melalui tabung dan keluar dengan kecepatan tinggi dari

ujung atas tabung.


16/28


Dari tabung itu, campuran zat cair selanjutnya masuk ke dalam separator.

Diameter separator itu lebih besar dari diameter penukar panas, sehingga kecepatan

linier uap menjadi jauh berkurang. Untuk membantu pemisahan tetes-tetes zat cair,

uap itu dibuat menumbuk seperangkat sekat, lalu mengalir melewati sekat itu

sebelum keluar dari separator. Evaporator seperti Gambar 2.6 hanya dapat bekerja

sebagai unit sirkulasi saja.

Fraksi yang diuapkan pada evaporator ini biasanya lebih besar dibandingkan

pada operasi sirkulasi paksa. Jika diperlukan, penukar panas dari evaporator ini dapat

diletakkan di luar badan evaporator, agar pembersihan lebih mudah djlakukan.

Walaupun evaporator ini tidak dapat digunakan untuk zat cair yang viskos, akan

tetapi evaporator vertikal tabung panjang sangat efektif untuk memekatkan cairan

yang mempunyai kecenderungan untuk berbusa. Busa itu akan pecah bila campuran

zat cair dan uap berkecepatan tinggi menumbuk sekat di bagian kepala uap. Selain itu

evaporator ini juga sangat berguna untuk digunakan menangani material yang sensitif

terhadap panas karena evaporator ini dapat dioperasikan tanpa proses resirkulasi.

Tingkat evaporasi tiap-tiap lewatan (pass) pada jenis ini juga jauh lebih tinggi

dibandingkan jenis-jenis evaporator sirkulasi lainnya dan evaporasi masih dapat

ditingkatkan dengan menambah panjang tabung-tabung pemanas atau dengan

mendinginkannya.

Masalah yang mungkin timbul dalam mengoperasikan evaporator ini adalah

pada saat mendistribusikan zat cair ke dalam tabung-tabung atau tube.

Pendistribusian harus dilakukan dengan hati-hati untuk menjaga level cairan,

misalnya dengan menyemprotkan cairan ke dinding tabung. Koefisien perpindahan

panas evaporator ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Nusselt.


17/28


Gambar 6.6. Evaporator Vertikal Tabung Panjang


18/28


6.2.5. Evaporator Film Jatuh

Masalah pemekatan bahan-bahan yang sangat peka terhadap panas, seperti air

jeruk, dan yang mengharuskan waktu kontak yang singkat sekali dengan permukaan

panas dapat diatasi dengan evaporator film jatuh. Pada evaporator film-jatuh satu

lintas, zat cair masuk dari atas, lalu mengalir ke bawah di dalam tabung panas itu

dalam bentuk film, kemudian keluar dari bawah. Tabung-tabungnya biasanya agak

besar, berdiameter 2 hingga 10 inci. Uap yang keluar dari zat cair itu biasanya

terbawa turun bersama zat cair, dan keluar dari bagian bawah unit itu. Evaporator ini

bentuknya menyerupai sebuah penukar panas jenis tabung, yang panjang, vertikal,dan dilengkapi dengan separator zat cair uap di bawah, dan distributor/penyebar zat

cair di atas.

Masalah utama dengan evaporator film-jatuh ialah dalam mendistribusikan zat

cair itu secara seragam menjadi film di bagian dalam tabung. Hal ini dilakukan

dengan menggunakan seperangkat plat logam berlubang-lubang (perforasi) yang

ditempatkan lebih tinggi di atas plat tabung yang dipasang dengan teliti agar benar-

benar horisontal. Tabung-tabung itu diberi sisip pada ujungnya yang memungkinkan

zat cair mengalir dengan teratur ke setiap tabung itu. Atau, dapat pula dipasang

distributor 'kalajengking' dengan lengan-lengan radial untuk menyemprotkan umpan

dengan laju stedi ke dalam permukaan dalam setiap tabung. Cara lain ialah dengan

menggunakan nosel penyemprot di dalam setiap tabung.

Bila sirkulasi dapat dilakukan tanpa menimbulkan kerusakan pada zat cair,

distribusi zat cair pada lubang itu dapat dipercepat dengan melakukan daur ulang zat

cair itu ke puncak tabung. Hal ini memungkinkan volume aliran yang lebih besar

melalui tabung dibandingkan dengan pada operasi sekali lintas. Untuk mendapatkan

perpindahan kalor yang baik, angka Reynolds fi1m-jatuh harus lebih besar dari 2000

pada setiap titik di dalam tabung. Selama berlangsung evaporasi, kuantitas zat cair


19/28


berkurang secara kontinu selama ia mengalir dari puncak tabung ke dasarnya,

sehingga jum1ah pemekatan yang dapat dilaksanakan da1am satu lewatan terbatas

seka1i. Evaporator film-jatuh tanpa sirku1asi dengan waktu tinggal yang sangat

singkat dapat menangani produk-produk yang peka yang tidak dapat ditangani

dengan cara lain. Alat ini juga sesuai sekali untuk memekatkan zat cair viskos.

6.2.6. Evaporator Film Turbulen

Akhir-akhir ini banyak dikembangkan evaporator modern yang bertujuan

untuk menangani bahan yang viskos, peka, dan korosif. Evaporator film-turbulen

sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6.7 merupakan evaporator yang banyakdigunakan untuk tujuan tersebut karena dapat menangani baik bahan yang viskos,

berlumpur bahkan kering.

Pada evaporator ini, tahanan pokok terhadap perpindahan panas menyeluruh

dari uap kepada zat cair yang mendidih di dalam evaporator terletak pada sisi-sisi zat

cair. Oleh karena itu, setiap cara yang dapat mengurangi tahanan itu akan

memberikan perbaikan yang berarti terhadap koefisien perpindahan panas

menyeluruh. Dalam evaporator tabung panjang, lebih-lebih yang menggunakan

sirkulasi paksa, kecepatan zat cair di dalam tabung itu tinggi. Zat cair itu sangat

turbulen, dan laju perpindahan kalorya besar. Cara lain untuk meningkatkan

keturbulenan ada1ah dengan pengadukan mekanik terhadap film zat cair itu, seperti

dalam evaporator pada Gambar 6.7. Evaporator itu merupakan modifikasi daripada

evaporator film jatuh yang mempunyai tabung tunggal bermantel, di mana di dalam

tabung itu terdapat sebuah pengaduk. Umpan masuk dari puncak bagian bermantel

dan disebarkan menjadi film tipis yang sangat turbulen dengan bantuan daun-daun

vertika1 agitator (pengaduk) itu. Konsentrat keluar dari bawah bagian bermantel, uap

naik dari zone penguapan masuk ke dalam bagian tak bermantel yang diametemya

agak lebih besar dari tabung evaporasi.


20/28


Di dalam separator, zat cair yang terbawa ikut dilemparkan ke arah luar oleh

daun-daun agitator, sehingga menumbuk plat-plat vertikal yang stasioner. Tetesan-

tetesan itu bergabung (koalesensi) pada plat ini dan kembali ke bagian evaporasi. Uap

bebas zat cair itu lalu keluar melalui lubang ke luar pada bagian atas unit itu.

Gambar 6.7. Evaporator film Turbulen


21/28


Keunggulan utama dari evaporator film aduk ialah kemampuannya

menghasilkan laju perpindahan kalor yang tinggi pada zat cair viskos. Produk

evaporasi bisa mencapai viskositas sampai setinggi 1000 P pada suhu evaporasi.

Sebagaimana juga pada evaporator jenis lain, koefisien menye1uruh turun dengan

cepat bila viskositas naik, tetapi dalarn rancang ini penurunan itu cukup 1ambat.

Dengan bahan-bahan yang sangat viskos, koefisien itu nyata lebih besar dari

yang didapatkan pada evaporator sirkulasi paksa, dan jauh lebih besar daripada unit

sirkulasi alamiah. Evaporator fi1m aduk sangat efektif dengan produk viskos yang

peka panas, seperti gelatin, lateks karet, antibiotika dan sari buah. Kelemahannya

ialah biayanya yang tinggi, adanya bagian-bagian dalam yang bergerak, yang

mungkin memerlukan perawatan dan pemeliharaan dan kapasitas setiap unitnya kecil,

jauh di bawah kapsitas evaporator bertabung banyak.

6.3. Kapasitas Evaporator

Untuk evaporator jenis tabung dengan pemanasan uap, maka performa

evaporator diukur berdasarkan atas kapasitas evaporator tersebut. Kapasitas

didefinisikan sebagai banyaknya pon air yang diuapkan perjam.

Jika zat cair dievaporasikan, kesan kedalaman cairan dan percepatan perlu untuk

diketahui, demikian juga halnya dengan kesan dari konsentrasi zat cair sewaktu

berada pada titik didihnya. Untuk larutan ideal, kesan konsentrasi dapat diestimasi

dengan menggunakan hukum Raoult dan Dalton sebagai berikut:

bbaabaxPxPppP


22/28


dimana a dan b merupakan simbol untuk menyatakan solute (zat terlarut) dan solvent

(pelarut) secara berturutan. Jika zat terlarut bersifat non volatil dan untuk operasi

evaporasi, maka laju perpindahan panas q melalui permukaan pemanasan suatu

evaporator, menurut definisi dari koefisien perpindahan kalor menyeluruh, yaitu hasil

kali dari tiga faktor: luas permukaan perpindahan panas, A; koefisien perpindahan

panas menyeluruh, U; dan penurunan suhu menyeluruh T; atau:

)( TAUq

Jika umpan masuk evaporator itu berada pada suhu didih sesuai dengan

tekanan absolut ruang uapnya, semua kalor yang berpindah melalui permukaan

pemanas dapat digunakan untuk evaporasi, dan kapasitasnya menjadi q. Jika

umpannya dingin, kalor yang diperlukan untuk memanaskannya sampai suhu didih

mungkin cukup tinggi, sehingga kapasitasnya untuk suatu nilai q tertentu akan

berkurang sesuai dengan itu, karena kalor yang digunakan untuk memanaskan umpan

tidak dapat digunakan untuk evaporasi. Sebaliknya, jika umpan itu berada pada suhu

di atas titik didih pada ruang uap, sebagian dari umpan akan menguap secara spontan

melalui penyeimbangan adiabatik dengan tekanan ruang-uap, dan kapasitasevaporator akan lebih besar dari yang ditunjukkan q. Proses ini disebut evaporasi

kilatan (f1ash evaporation).

Penurunan suhu nyata melintas permukaan pemanasan bergantung pada

larutan yang diuapkan, pada perbedaan tekanan antara rongga uap-pemanas dan ruang

uap hasil evaporasi di atas zat cair mendidih itu, serta pada kedalaman zat cair itu di

atas permukaan pemanasan. Pada beberapa evaporator, kecepatan zat cair di dalam

tabung juga dipengaruhi oteh penurunan suhu karena adanya rugi gesekan di dalam

tabung yang meningkatkan tekanan efektif zat cair itu. Bila zat cair itu mempunyai

karakteristik seperti air murni, titik didihnya dapat dibaca dari tabel uap, jika

tekanannya diketahui, sebagaimana jika kita membaca suhu uap yang kondensasi.


23/28


Namun, dalam evaporator nyata titik didih larutan dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu

kenaikan titik didih dan tinggi tekan zat cair .

Tekanan uap kebanyakan larutan dalam air lebih kecil dari tekanan uap air

pada suhu yang sama. Akibatnya untuk suatu tekanan tertentu, titik didih larutan lebih

tinggi dari titik didih air mumi. Kenaikan titik didih di atas titik didih air ini dikenal

sebagai kenaikan titik didih larutan. Nilainya kecil untuk larutan encer dan larutan

koloida organik, tetapi bisa sampai setinggi 150oF pada larutan pekat garam

anorganik. Kenaikan titik didih ini harus dikurangkan dari penurunan suhu yang

diramalkan dari tabel uap.

Untuk larutan pekat, kenaikan titik didih itu dapat dicari dengan mudah

dengan menggunakan aturan empirik yang dikenal sebagai kaedah Duhring yang

menyatakan bahwa titik didih suatu larutan tertentu merupakan fungsi linier dari titik

didih air mumi pada tekanan yang sama. Jadi, jika titik didih larutan digambarkan

terhadap titik didih air pada tekanan yang sama, akan didapat suatu garis lurus.

Untuk konsentrasi yang berlainan, kita dapatkan pula garis-garis yang

berbeda. Jika jangkau tekanan terlalu besar, kaedah ini tidak eksak, tetapi dalam

jangkau yang sedang, garis-garis itu sangat mendekati lurus, walaupun tidak selalu

harus sejajar.

Jika kedalaman zat cair di dalam evaporator itu cukup besar, titik didih yang

berkaitan dengan tekanan di dalam ruang uap ialah titik didih lapisan permukaan zat

cair itu saja. Suatu tetesan zat cair yang berada pada jarak Z ft di bawah permukaan

berada pada tekanan ruang uap di tambah tinggi-tekan Z ft zat cair, dan karena itu

titik didihnya lebih tinggi. Disamping itu, bila kecepatan zat cair itu besar, rugi

gesekan di dalam tabung akan meningkatkan lagi tekanan rata-rata zat cair itu. Dalam

evaporator nyata, oleh karena itu, titik didih zat cair di dalam tabung lebih tinggi dari

titik didih yang ditunjukkan oleh tekanan ruang uap. Kenaikan titik didih ini akan


24/28


menyebabkan kekurangan penurunan suhu rata-rata antara uap dan zat cair dan

mengurangi kapasitas. Besarnya pengurangan tidak dapat ditaksir secara kuantitatif,

tetapi efek kualitatif daripada tinggi-tekan zat cair itu dapat diabaikan, lebih-lebih bila

tinggi permukaan dan kecepatan zat cair itu tinggi.

Fluks kalor dan kapasitas evaporator dipengaruhj oleh perubahan beda suhu

maupun perubahan koefisien perpindahan kalor. Penurunan suhu itu ditentukan oleh

sifat-sifat uap dan zat cair yang mendidih, dan kecuali karena pengaruh tinggi tekan

hidrostatik, bukanlah merupakan fungsi konstruksi evaporator. Tetapi, koefisien

menyeluruh sangat dipengaruhi oleh rancang evaporator dan metode operasinya.

Tahanan menyeluruh terhadap uap dan zat cair mendidih ialah jumlah dari lima

macam tahanan tersendiri: tahanan film uap; dua buah tahanan kerak, yaitu di dalam

tabung dan di luar tabung; tahanan dinding tabung; dan tahanan dari zat cair yang

mendidih. Koefisien menyeluruh ialah kebalikan dari tahanan menyeluruh itu.

Pada kebanyakan evaporator, faktor penggotoran uap kondensasi dan tahanan

dinding tabung biasanya sangat kecil, dan biasanya diabaikan dalam perhitungan

evaporator. Tetapi, dalam evaporator film aduk, dinding tabung biasanya agak tebal,

sehingga tahanannya mungkin merupakan bagian yang cukup penting dari

keseluruhan tahanan.

Koefisien film uap selalu tinggi, juga jika kondensasi itu kondensasi film.

Untuk mendapatkan kondensasi tetes, dan dengan demikian koefisien yang lebih

tinggi lagi, kepada arus uap itu biasanya ditambahkan promotor. Oleh karena adanya

gas yang tak-mamppu kondensassi dapat menyebabkan turunnya koefisien film uap,

maka harus ada ventilasi untuk membuang gas-gas tak-mampu kondensasi itu dari

rongga uap pemanas dan mencegah udara masuk bila tekanan uap lebih rendah dari

tekanan atmorfir .


25/28


Koefisien sebelah zat cair sangat bergantung pada kecepatan zat cair itu di

atas permukaan panas. Pada kebanyakan evaporator, dan lebih-lebih pada yang

menangani zat cair viskos, tahanan pada sisi zat cairlah yang menentukan laju

perpindahan kalor menyeluruh ke zat cair yang mendidih itu. Dalam evaporator

sirkulasi alamiah, koefisien sisi zat cair untuk larutan encer dalam air adalah antara

200 dan 600 Btu/ft2.jam.0F.

6.4. Ekonomi Evaporator

Ekonomi ada1ah banyaknya pon yang diuapkan per pon uap yang

diumpankan ke da1am unit itu. Pada evaporator efek tunggal, ekonominya hampirselalu kurang dari satu, tetapi pada alat efek berganda, ekonominya mungkin jauh

lebih besar. Konsumsi uap, dalam pon per jam, juga tidak kalah pentingnya. Nilai

konsumsi uap merupakan hasil bagi antara kapasitas dengan ekonomi evaporator.

Faktor utama yang mempengaruhi sistim ekonomi evaporator ialah banyaknya

efek. Melalui suatu perancangan yang baik, entalpi penguapan uap=pemanas ke efek

pertama dapat digunakan satu kali atau beberapa kali, bergantung pada jumlah

efeknya. Ekonomi evaporator juga dipengaruhi oleh suhu umpan. Jika suhu umpan

lebih rendah dari titik didih di dalam efek pertama, beban pemanasan itu akan

menggunakan sebagian dari entalpi penguapan uap pemanas, dan hanya sebagian

yang tersisa untuk evaporasi. Jika suhu umpan lebih tinggi dari titik didih, kilat yang

terjadi akan menyebabkan evaporasi lebih tinggi dari yang bisa dibangkitkan oleh

entalpi penguapan uap itu. Secara kuantitatif, ekonomi evaporator adalah semata-

mata masalah neraca entalpi.

6.4.1. Neraca Entalpi Evaporator Efek Tunggal

Pada evaporator efek tunggal, ka1or laten kondensasi uap pemanas berpindah

melalui permukaan pemanasan dan menguapkan air dari 1arutan yang mendidih. Ada


26/28


dua neraca entalpi yang diperlukan, satu untuk uap-pemanas, dan satu lagi untuk sisi-

cairan atau uap larutan.

Gambar 6.8. Neraca bahan dan neraca enta1pi pada evaporator .

ms =laju aliran uap pemanas dan laju aliran kondensat

mf =laju aliran cairan encer, atau umpan

m =1aju a1iran cairan pekat

mfm =laju aliran uap cairan ke da1am kondensor, andaikan tidak ada zat padat

yang mengendap dari cairan itu.

Ts =suhu kondensassi uap pemanas

T =suhu zat cair yang mendidih di da1am evaporator

Tf =dan suhu umpan.


27/28


Dimisalkan selanjutnya bahwa tidak ada kebocoran atau zat cair yang terbawa

ikut bersama uap, dan bahwa aliran gas yang tak mampu kondensasi dapat diabaikan,

dan bahwa rugi ka1or evaporator itu tidak perlu diperhitungkan. Uap pemanas yang

masuk kedalam rongga uap pemanas itu bisa panas lanjut, dan kondensatnya biasanya

keluar dari rongga itu agak dingin lanjut di bawa hingga didihnya. Namun, keduanya,

baik panas lanjut uap maupun dingin lanjut kondensat itu kecil, dan dapat diabaikan

dalam penyusunan neraca entalpi. Kesalahan kecil yang mungkin diakibatkannya

akan dikompensasikan oleh kesalahan karena mengabaikan rugi kalor dari rongga

uap-pemanas. Dengan pengandaian ini, selisih antara entalpi uap pemanas dan

kondensat hanyalah s, yaitu kalor laten kondensasi uap. Neraca entalpi sisi uap

ialah:

sscsss mHHmq (6.1)

dimana:

qs = laju perpindahan kalor melalui permukaan pemanasan dari uap pemanas.

Hv = enta1pi spesifik uap pemanas

Hc = entalpi spesifik uap kondensat

s = kalor laten kondensasi uap pemanas

ms = laju aliran uap pemanas

Neraca entalpi untuk sisi cairan ialah:

mHHmHmmqffvf (6.2)

dimana:

q = laju perpindahan kalor dari permukaan pemanasan ke zat cair .

Hv = entalpi spesifik uap cairan

Hf = entalpi spesifik cairan encer

H = entalpi spesifik cairan pekat.


28/28

Jika tidak ada rugi kalor, kalor yang berpindah dari uap pemanas ke tabung harus

sama dengan kalor yang berpindah dari tabung pemanas ke cairan, dan qs = q.

Jadi dengan menggabungkan persamaan 6.1 dan 6.2: Jika kalor pengenceran

zat cair yang akan dipekatkan itu cukup besar sehingga tidak dapat diabaikan, entalpi

tidak linier dengan konsentrasi pada suhu tetap. Sumber yang terbaik untuk

mendapatkan nilai Hf dan H untuk digunakan pada persamaan 6.2 ialah diagram

entalpi-konsentrasi, dimana entalpi dalam Btu per pon atau joule per gram larutan,

digambarkan grafiknya terhadap konsentrasi, dalam fraksi massa atau persen bobot

zat terlarut. Isoterm-isoterm pada gambar itu menunjukkan entalpi sebagai fungsi

konsentrasi pada suhu tetap.

06_evaporasi

Documents