OPERASI TEKNIK KIMIA IIRK-1454

Unit Operations: IntroductionWhat is chemical engineering? Chemical Engineering is a group of industrial processes in which row materials are changed or separated into useful products Historical development: As the Industrial Revolution steamed along certain basic chemicals quickly became necessary to sustain growth - Example: Sulfuric acid was first among these "industrial chemicals".

Chemistry: - to create a new substance - to study its properties - to investigate all possible pathways from one substance to another

Chemical Engineering: - to design the most optimal technology for production of a specified substance from row materials - to develop and discover new technological applications for materials

Process flowsheet: Example 1

Process flowsheet: Example 2

Comparison of two processes

Units: - Heaters/heat exchangers - Pumps - Distillation units - Reactors -

Actions: - Heat exchange - Material transport - Separation - Mixing -

TUJUANMengembangkan kemampuan mahasiswa dalam merancang dan mengevaluasi peralatan proses yang berbasis aplikasi konsep perpindahan massa dan panas

References

Geankoplis CJ., Transport Process and Unit Operation, 3rd ed., Prentice Hall, 1997 Mc Cabe WL., Unit Operation of Chemical Engineering, 5th ed., McGraw Hill, 1996 Badger, Introduction to Chemical Engineering, McGraw Hill, 1955 Coulson, Chemical Engineering Calculation, vol.2, 3rd ed, Pergeamon Press, 1978

MATERI

Evaporator Pengeringan Humidifikasi/Cooling Tower Kristalisasi

MATERI

Evaporator Pengeringan Humidifikasi/Cooling Tower Kristalisasi

INTRODUCTION

CHEMICAL ENGINEERING?Ilmu teknik kimia (Che) disiplin ilmu yang erat kaitannya dengan industri proses yang merupakan usaha untuk mengkonversi bahan baku menjadi produk dengan nilai tambah

INDUSTRI PROSES

Raw Material Operasi PendukungUnit Operasi (Proses fisika)

Product

Konversi (Reaktor)

Operasi PendukungUnit Operasi (Proses fisika)

EVAPORASI (PENGUAPAN)

Evaporasi?

Pemisahan solvent dari larutan/campuran aqueous yang mengandung solute (nonvolatile) Proses perpindahan panas dalam boiling liquid Larutan pekat (concentrate)

Aplikasi ?

Industri gula Sodium chloride Sodium hydroxide Glycerol Milk Orange juice Etc

Faktor yang berpengaruh pada proses evaporasiKonsentrasi larutan

Properties fisik dan kimia larutan dipengaruhi oleh konsentrasi Koefisien perpindahan panas dipengaruhi oleh properties larutan (, V, etc) Menentukan jenis evaporator

Faktor yang berpengaruh pada proses evaporasiSolubilitas solute

Solute memiliki kelarutan terbatas Kelarutan solute dipengaruhi oleh temperatur

Faktor yang berpengaruh pada proses evaporasiSensitifitas bahan terhadap temperatur

Banyak bahan tidak tahan terhadap ekspos pada suhu tinggi (degradasi/dekomposisi) Tingkat kerusakan bahan dipengaruhi oleh suhu dan lama ekspos pada suhu tinggi

Faktor yang berpengaruh pada proses evaporasiFoaming or frothing

Pembentukan foam/froth selama proses evaporasi menyebabkan entrainment liquid

Faktor yang berpengaruh pada proses evaporasiTemperatur dan tekanan

Fenomena kenaikan titik didih larutan dengan perubahan konsentrasi selama proses evaporasi

Faktor yang berpengaruh pada proses evaporasiScaling dan bahan konstruksi

Pembentukan scale mempengaruhi kinerja perpindahan panas Korosifitas larutan berkaitan dengan bahan konstruksi evaporator

Tipe EvaporatorOpen Kettle or Pan

Evaporator paling sederhana (bejana terbuka) Pemanas : jacket or coil or direct fire Kapasitas heat transfer kecil

Tipe EvaporatorHorizontal-tube natural circulation

Digunakan untuk larutan non-viscous, nondeposit scale, h tinggi Pemanas : tube-bundle (multi-tube) dengan steam dalam tube

Tipe EvaporatorVertical-type natural circulation/short-tube

Digunakan untuk larutan non-viscous Pemanas : tube-bundle (multi-tube) dengan steam dalam shell Varian : basket-type (heating element suspended) Aplikasi : sugar, salt & soda insdustries

Tipe EvaporatorLong-tube vertical-type

Tube : 3 10 m Vapor yang terbentuk dlm tube memberikan efek pumping, shg meningkatkan h Operasi : untuk kasus ratio F/V rendah, dilakukan natural recirculation dengan memasang pipa menghubungkan outlet produk dengan feed-line Aplikasi : producing condensed milk

Tipe EvaporatorForce-circulation type evaporator

Vertical-tube type evaporator Operasi : Sirkulasi boiling liquid dilakukan dengan pemompaan untuk meningkatkan h Varian : tipe horizontal-tube dipasang external Aplikasi : processing viscous liquid

Tipe EvaporatorFalling-Film type evaporator

Boiling liquid mengalir berbentuk aliran film pada dinding tube, uap-liquid dipisahkan pada bottom evaporator Operasi : untuk processing material sensitif terhadap suhu tinggi, dengan holdup-tim 5 10 s dan h sangat tinggi Aplikasi : fruit juice (orange, etc..)

EVAPORATOR SINGLE EFFECT

Evaporator Single EffectParameter desain evaporator :

Heating surface (A) Beban evaporator (V/F) Ekonomi steam (V/S)

Desain evaporator didasarkan pada konsep:

Koefisien perpindahan panas overall

!U

(TS T)

Neraca massa dan panas/energi

Neraca enthalpi single effect evaporatorPada single effect evaporator, panas latent kondensasi ditransfer melalui heating surface ke uap air. ntuk single effect evaporator diperlukan 2 neraca enthalpi yaitu : Neraca enthalpi untuk steam side Neraca enthalpi untuk vapor atau liquid side

Flowsheet operasi single effect evaporator seperti pada skema berikut : Vapor : V, T, yV=0, HV

Feed : F, TF, xF, hF Steam : S, TS, HS

P, T

Condensate : S, TS, hS

Produk liquid : L, T, xL, hL

Asumsi :Tidak ada kebocoran (leakage) or entrainment dan aliran non-condensables diabaikan Heat loss pada sistem evaporator diabaikan Kondisi operasi evaporator pada boiling condition (tekanan operasi) = tekanan uap solvent (air) Vapor equilibrium dengan liquid TV = TL = T Larutan encer tidak terjadi kenaikan titik didih (BPR) Operasi steady state P

Neraca massa (steady state) :

Neraca larutan (neraca overall) : F=L+V Neraca solute (neraca komponen) : F.xF = L.xL + V.yV=0

Neraca panas/enthalpi (steady state) :Larutan & steam heat in = heat out Steam yang digunakan dianggap steam jenuh (biasanya steam superheated dan kondensat sedikit subcooled dibawah bp larutan) Tidak ada loss energi (radiasi & konveksi)

F.hF + S.PS= L.hL + V.HVdimana :

PS= HS hS = latent heat steam

Evaporator Single EffectPanas yang ditransfer dari steam ke larutan melalui heating surface (A)

q = S. PS = S (HS hS) = . A (TS T)

A

Remark : Latent heat ( PS) 1 kg steam 1 kg vapor pada (T,P) hF & hL cPF & cPL

Contoh 8.4-1 p.498 (Geankoplis 3rd) Evaporasi tanpa pengaruh kenaikan titik didih

Single effect evaporator kontinyu digunakan untuk memekatkan larutan garam dari 1,0 % menjadi 1,5 % dengan rate 9072 kg/j. Feed masuk evaporator pada suhu 311 K. Tekanan vapor space adalah 101,325 kPa (1 atm abs). Media pemanas digunakan steam jenuh pada tekanan 143,3 kPa. Koefisien heat transfer overall, = 1704 W/m2.K. Anggap larutan encer sehingga BPR dapat diabaikan Hitung produk uap dan liquid serta kebutuhan heating surface untuk operasi evaporasi tersebut.

Evaporator Single EffectFeed : F = 9072 kg/j, TF= 311K xF= 0,01 Steam : PS = 143,3 kPa Vapor : V, T, yV, HV P, T

Condensate : S, TS, hS

Produk liquid : xL = 0,015

Neraca massa (steady state) :

Neraca larutan (neraca overall) :F=L+V 9072 = L + V

Neraca solute (neraca komponen) :F.xF = L.xL + V.yV

=09072(0,01) = L(0,015)

L = 9072(0,01)/0,015 = 6048 kg/j

Rate produk vapor :F=L+V 9072 = 6048 + V V = 3024 kg/j

Neraca energi (steady state) :Asumsi larutan encer : T = bp air pada 101,325 kPa T = 100 C (373,2 K) cP = heat capacity air = 4,14 kJ/kg.K Steam jenuh pada 143,3 kPa tabel steam jenuh TS = 383,2 K dgn latent heat (PS) = 2230 kJ/kg Datum (suhu reference) = T (suhu operasi evaporator), HV = latent heat air pada T (100C) HV =2257 kJ/kg hL = 0 & hF = cPF (TF T)

Neraca energi (steady state) :Neraca energi :9072(4,14)(311373,2) + S (2230) = 6048 (0) + 3024(2257) S = 4108 kg/j

Heating surface area ditentukan dari persamaan heat transfer :q = S (PS) = A (TS T)

q = 4108(2230)(1000/3600) = 2.544.000 W 2.544.000 = 1704 (A) (383,2 373,2) A = 149,3 m2

Evaporator Single EffectPengaruh kondisi oparasi

Suhu feed, TFBila TF < T S A 25 % S untuk preheat TF 75 % S untuk vaporisasi T

Ex. TF = 311 K & T = 373 K

Tekanan oparasi, PP = 1 atm P = 373,2 K TS = 383,2 K P q = A( T(T (T = TS T = 10 K

dan T Cost investasi

A

Evaporator Single EffectPengaruh kondisi oparasi

Tekanan steam, PSPS P S TS PS dan bila T tetap PS cost steam maka TS(T

maka TS

(T

Kenaikan titik didihProses evaporasi [solute] pengaruh pada properties larutan (, V, P, )[solute] >> P dan T kenaikan titik didih

Evaporator Single EffectKenaikan titik didihntuk larutan kuat (ex. NaOH) kenaikan titik didih sulit diprediksi (fungsi dari C dan (Hsolution)

Pendekatan empirik

Dhring rulePlot T vs Tbp air murni Linier Dhring rule

Nomogram Kenaikan titik didih (Perry)

Evaporator Single EffectKurva H -Clarutan kuat (ex. NaOH) panas pelarutan/ pengenceran >> H = f (C) Panas pelarutan/pengenceran sangat tergantung pada jenis solute dan konsentrasinya/jumlah air Ex. Larutan NaOH pada pengenceran dilepas panas (panas pengenceran) dan pada proses pemekatan diperlukan panas yang sama dengan panas pengenceran

Evaporator Single EffectKurva H -Cntuk Larutan dengan panas pelarutan/ pengenceran >> fungsi H terhadap C menjadi komplek karena dipengaruhi oleh jumlah pelarut

Kurva H vs C dan jumlah pelarut (ex. Lart NaOH)

Contoh 8.4-3 p.501 (Geankoplis 3rd) Evaporasi dengan pengaruh kenaikan titik didih

Single effect evaporator kontinyu digunakan untuk memekatkan larutan NaOH dalam air dari 20 % menjadi 50 % dengan rate feed 4536 kg/j. Feed masuk evaporator pada suhu 60C. Tekanan vapor space adalah 11,7 kPa (abs). Media pemanas digunakan steam jenuh pada tekanan 172,4 kPa. Koefisien heat transfer overall, = 1560 W/m2.K. Hitung produk uap dan liquid serta kebutuhan heating surface untuk operasi evaporasi tersebut.

Evaporator Single EffectFeed : F = 4536 kg/j, TF= 60C xF= 0,2 Steam : PS = 172,4 kPa Vapor : V, T, yV=0, HVP=11,7 kPa

Condensate : S, TS, hS

Produk liquid : xL = 0,5

Neraca massa (steady state) :

Neraca larutan (neraca overall) :F=L+V 4536 = L + V

Neraca solute (neraca komponen) :F.xF = L.xL + V.yV

=04536(0,2) = L(0,5)

L = 4536(0,2)/0,5 = 1814 kg/j

Rate produk vapor :F=L+V 4536 = 1814 + V V = 2722 kg/j

Neraca energi (steady state) :Suhu operasi evaporator : BPR?Tekanan operasi, P = 11,7 kPa titik didih air, Tsat = 48,9 C (tabel steam jenuh) Dhring chart (Geankoplis : fig.8.4-2, p500) : ntuk Tsat = 48,9C & lart. NaOH 50% T = 89,5 C BPR = (89,5 48,9) = 40,6 C Steam jenuh pada 172,4 kPa tabel steam jenuh TS = 115,6 C dgn latent heat (lS) = 2214 kJ/kg

Entalpi liquid :Kurva H-C untuk lart. NaOH, fig.8.4-3, p501 Feed : lart.NaOH 20% pada 60C hF =214 kJ/kg Prod : lart.NaOH 50% pada 89,5C hL =505 kJ/kg

Neraca energi (steady state) :Entalpi liquid :Kurva H-C untuk lart. NaOH, fig.8.4-3, p501 Feed : lart.NaOH 20% pada 60C hF =214 kJ/kg Prod : lart.NaOH 50% pada 89,5C hL =505 kJ/kg

Entalpi vapor :Vapor pada kondisi superheated (BPR = 40,6C) HV = HVsat + HVSH (a) Tabel superheated steam P=11,7kPa, Tsat =48,9C & T = 89,5C HV = 2667 kJ/kg

Neraca energi (steady state) :Entalpi vapor :(b) Tabel saturated steam P=11,7kPa, Tsat =48,9C HVsat = 2590 kJ/kg Cp(vapor) = 1,884 kJ/kg.K BPR = 40,6 C HV = HVsat + HVSH = HVsat + Cp.BPR = 2590 + 1,884(40,6) = 2667 kJ/kg

Neraca energi :F.hF + S.PS= L.hL + V.HV 4536(214) + S (2214) = 1814 (505) + 2722(2667) S = 3255 kg/j

Neraca energi (steady state) :Heating surface area ditentukan dari persamaan heat transfer :q = S (PS) = A (TS T)

q = 3255(2214)(1000/3600) = 2.002.000 W 2.002.000 = 1560 (A) (115,6 89,5) A = 49,2 m2

Steam economy :Vapor/Steam = 2722/3255 = 0,836 Remark : V/S < 1 karena TF(60C) < T(89,6)