TUGAS KHUSUSJUANG PRIHANTORO SETIAWAN

03111003040

PRINSIP KERJA DAN PERALATAN EVAPORATOR

Tujuan dari evaporasi adalah memekatkan larutan yang mengandung zat yang sulit

menguap (non-volatile solute) dan pelarut yang mudah menguap (volatile solvent) dengan

cara menguapkan sebagian pelarutnya. Pelarut yang ditemui dalam sebagian besar sistem larutan

adalah air. Umumnya, dalam evaporasi, larutan pekat merupakan produk yang diinginkan,

sedangkan uapnya diembunkan dan dibuang. Sebagai contoh adalah pemekatan larutan susu,

sebelum dibuat menjadi susu bubuk. Beberapa sistem evaporasi bertujuan untuk mengambil air

pelarutnya, misalnya dalam unit desalinasi air laut untuk mengambil air tawarnya. Evaporasi

berbeda dengan distilasi, dalam hal uap yang dihasilkan biasanya merupakan komponen tunggal

bahkan jika uapnya adalah multikomponen, tidak ada usaha untuk memurnikan uapnya menjadi

fraksi-fraksi komponen penyusunnya.

Tinjau kasus pembuatan susu bubuk dan susu cair encer. Proses ini pada dasarnya

adalah operasi pengurangan kandungan air. Selama proses, sifat larutan mengalami

perubahan drastis, dan larutan susu encer menjadi larutan pekat dan akhirnya menjadi

padat/serbuk. Keseluruhan proses tersebut sulit dilakukan ekonomis dengan hanya

menggunakan satu alat saja, sehingga diperlukan beberapa tahapan proses dengan

menggunakan peralatan yang berbeda.

Pada industri susu bubuk, dua tahapan proses yang umum digunakan adalah

evaporasi dan pengeringan (dying).

Evaporator :

1. Memproses cairan encer sampai menjadi cairan pekat (untuk industri susu sampai kadar

padatan sekitar 50%).

2. Proses ini dibatasi oleh kekentalan cairan ataupun kemungkinan terjadinya

pengendapan karena larutan terlalu pekat.

3. Kebutuhan panas untuk penguapan air relatif lebih sedikit.

Dryer :

1. Bisa memproses sampai kadar air padatan sangat rendah dan produk bisa berupa

padatan, jadi bisa memproses cairan maupun padatan.

2. Kebutuhan panas relatif besar, biaya penguapan air dengan dryer kira-kira 9x

biaya penguapan air dengan evaporator.

Oleh karena itu, pada industri susu bubuk, pada tahap pertama digunakan evaporator

(yang lebih murah biaya penguapannya) sampai dihasilkan larutan pekat. Tahap berikutnya

digunakan dryer memperoleh susu bubuk. Untuk menghemat biaya operasi, perlu

diusahakan, pada tahap pertama (yaitu evaporasi) sebanyak mungkin air diuapkan.

PRINSIP KERJA EVAPORATOR

Prinsip kerja pemekatan larutan dengan evaporasi didasarkan pada perbedaan titik

didih yang sangat besar antara zat-zat yang yang terlarut dengan pelarutnya. Pada industri

susu, titik didih normal air (sebagai pelarut susu) 100°C, sedang padatan susu praktis tidak bisa

menguap. Jadi, dengan menguapnya air dan tidak menguapnya padatan, akan diperoleh

larutan yang makin pekat.

Perlu diperhatikan bahwa titik didih cairan murni dipengaruhi oleh tekanan. Makin tinggi

tekanan, maka titik didih juga semakin tinggi. Hubungan antara titik didih dengan tekanan

uapnya dapat dirumuskan dengan persamaan Antoine :

Untuk air : A = 6,96681; B = 1668,21; C= 228, dimana Po dalam cmHg dan t dalam oC

Titik didih larutan yang mengandung zat yang sulit menguap akan tergantung pada

tekanan dan kadar zat tersebut. Pada tekanan yang sama, makin tinggi kadar zat, makin

tinggi titik didih larutannya. Beda antara titik didih larutan dengan titik didih pelarut

murninya disebut kenaikkan titik didih (boillng point rise).

Dalam evaporator, terjadi 3 proses penting :

1. Transfer panas

2. Penguapan (transfer massa)

3. Pemisahan uap dan cairan

Penguapan umumnya berlangsung cepat, sehingga tidak mengontrol kecepatan

keseluruhan proses. Penguapan cairan pada evaporator ukuran standar sudah dirancang oleh

manufacturer sedemikian rupa sehingga untuk jumlah penguapan dalam evaporator tersebut,

pemisahan uap-cairan sudah bisa berjalan dengan baik. Jadi untuk perhitungan/perancangan

evaporator (bentuk standar), yang perlu diperhatikan hanyalah kecepatan transfer panasnya.

Untuk perhitungan kecepatan transfer panas, diperlukan hitungan neraca massa dan neraca

panas.

Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam perancangan evaporator antara lain:

1. Makin cepat gerakan fluida dalam evaporator, makin besar nilai koefisien transfer

panas, sehingga kecepatan transfer panasnya juga semakin tinggi.

2. Kadar zat terlarut makin tinggi, biasanya viskositas larutan semakin tinggi. Hal ini

mengakibatkan koefisien transfer massa menurun sehingga memperlambat transfer

panas. Disamping itu, jika kekentalan makin tinggi, kadar lokal padatan disuatu

titik dalam evaporator bisa terlalu tinggi sehingga dapat mengakibatkan kerusakan

padatan (jika padatan sensitif terhadap panas), atau pemadatan lokal.

3. Pada evaporator dengan konveksi alami (natural convection) dimana gerak fluida

diakibatkan oleh beda suhu, maka koefisien transfer panas dipengaruhi oleh beda suhu,

semakin tinggi nilai koefisien transfer panas.

4. Gerakan yang baik dari fluida perlu dijaga. Gerakan fluida selain akan

meningkatkan transfer panas, juga dapat mencegah terjadinya konsentrasi atau suhu

lokal yang terlalu tmnggi, yang bisa mengakibatkan kerusakan padatan atau

pemadatan.

5. Faktor-faktor yang mendorong terjadinya endapan perlu dicegah.

6. Untuk bahan yang sensitif terhadap panas (mudah rusak pada suhu tinggi), maka suhu

evaporasi diusahakan rendah dengan cara menurunkan tekanan operasi. Disamping

itu, waktu tinggal bahan dalam evaporator dijaga jangan terlalu lama.

7. Energi terbesar pada evaporator adalah untuk penguapan (panas penguapan nilainya

sangat besar dibandingkan dengan panas sensibelnya, sehingga usaha-usaha

penghematan panas perlu dilakukan. Salah satu caranya adalah dengan

memanfaatkan uap yang timbul sebagai pemanas evaporator.

JENIS-JENIS EVAPORATOR

1. Horizontal Tube Evaporator

Horizontal Tube Evaporator merupakan evaporator yang paling klasik dan sederhana.

Evaporator ini banyak digunakan untuk keperluan-keperluan kecil dengan teknologi sederhana.

Fitur :

1. Tidak memberikan kondisi untuk terjadinya sirkulasi/aliran cairan, sehingga koefisien

transfer panas rendah yang menjadikan perpindahn panas menjadi tidak efisien.

2. Pengendapan kerak terjadi diluar pipa, sehingga sulit untuk dibersihkan. Konstruksi alat

harus diusahakan sedemikian rupa sehingga bundel pipa bisa dikeluarkan untuk

dibersihkan.

2. Basket Evaporator

Fitur :

1. Sirkulasi/aliran cairan bisa berjalan dengan panas akibat konveksi alami (natural

convection) besar, menjadikan transfer panas cukup efisien.

2. Sirkulasi aliran terjadi secara alami (natural circulation) karena adanya beda antara

cairan yang berada diluar pipa dengan cairan yang ada didalam pipa. Pengendapan

kerak terjadi didalam pipa, sehingga lebih mudah untuk dibersihkan.

3. Standard Vertical-Tube Evaporator

Pada alat ini, cairan mengalir dalam pipa sedangkan steam pemanas mengalir

dalam shell. Cairan dalam tabung mendidih, uap yang timbul bergerak keatas dengan

membawa cairan. Sirkulasi aliran dalam pipa terjadi karena beda rapat massa yang terjadi

karena perbedaan fasa campuran uap-cair dengan yang diluar pipa (cair). Diatas pipa terdapat

ruang uap yang berfungsi untuk memisahkan cairan dengan uap. Uap akan menuju lubang

pengeluaran diatas, sedangkan cairan jatuh kebawah melewati saluran ada ditengah bejana, dan

kembali bersirkulasi masuk pipa (natural convection) berjalan baik sehingga transfer panas

lebih efisien. Kerak dan endapan terbentuk didalam pipa, sehingga lebih mudah untuk

dibersihkan. Adanya sirkulasi menyebabkan cairan berkali-kali kontak dengan permukaan

pemanas. Hal kurang baik untuk bahan-bahan yang tidak tahan terhadap panas, misalnya:

susu, juice dan berbagai dairy product.

4. Long Tube Vertical Evaporator

Untuk memperbesar kecepatan sirkulasi perpindahan panas makin tinggi, pipa aliran

cairan, setelah masuk ruang uap untuk dipisahkan dengan uap yang terbentuk, kembali

kebawah melalui pipa diluar evaporator. Keuntungan evaporator ini koefisien transfer panas

karena sirkulasi alami (natural circulation) lebih besar, sehingga transfer panas bisa lebih

efisien. Kerugiannya, jumlah cairan yang menguap setiap pass sangat besar (karena pipa

panjang) sehingga konsentrasi lokal dimulut pipa cairan dalam evaporator tidak homogen,

karena adanya perbedaan suhu dan konsentrasi padatan local. Hal ini dapat menyebabkan

kristalisasi/pembentukan gel pada pipa, sehingga bisa mengganggu sirkulasi aliran.

5. Stirred, Discontinuous Evaporator

Evaporator jenis ini digunakan untuk menyiapkan larutan dengan viskositas tinggi

atau bahkan pasta atau pulpy. Pemanas dapat dialirkan dalam koil ( internal heating), jaket

pada shell (external heating) (sumber: Sattler and Feindt, 1995, Thermal Separation

Processes).

6. Direct Contact Evaporator

Pada alat ini, cairan berkontak langsung dengan gas pemanas. Koefisien transfer panas

sangat besar. Ruang didalam tabung ditengah berfungsi untuk pembakaran. Evaporator ini

digunakan untuk cairan yang sangat kental, bahkan slurry. Pemakalan panas kembali sulit

dilakukan.

7. Agitated Film Evaporator

Evaporator berbentuk tabung (shell) vertikal atau horizontal, dengan pemanas diluar

tabung. Pada sumbu tabung terdapat batang yang dapat diputar, yang dilengkapi dengan

sirip-sirip. Pada vertical agitated fllm evaporator, saat batang berputar, cairan bergerak

kebawah akan terlempar ketepi tabung (bagian panas) karena putaran sirip. Cairan ditepi

tabung akan terpental kembali ketengah tabung. Pada bagian atas tabung disediakan ruang

untuk pemisahan uap cairan. Transfer panas berjalan dengan sangat efisien. Problem

penyumbatan dankonsentrasi local yang tinggi dapat teratasi. Agitated film evaporator

dirancang untuk larutan yang sangat kental (viskositas tinggi) atau untuk memproduksi

padatan. Meskipun demikian, alat ini mahal, rasinya tinggi (karena perlu tenaga pengadukan).

PEMILIHAN JENIS EVAPORATOR

Pemilihan jenis evaporator setidak-tidaknya harus memperhatikan factor-faktor berikut:

a. Kapasitas produksi yang disyaratkan (throughput requirea)

b. Viskositas umpan dan kenaikkan viskositas selama penguapan

c. Produk yang diinginkan: padatan, slurry atau larutan

d. Sensitivitas bahan/produk terhadap panas

e. Apakah larutan yang diproses

f. Apakah larutan dapat menimbulkan busa (foaming)