PERPINDAHAN PANAS DAN MASSA DI DALAM FALLING FILM EVAPORATOR CAMPURAN BLACK LIQOUR-UDARA

(1)

Right Writing to Create Your Gold Step

National Career Seminar BEM FTI ITS – 26 April 2008

PERPINDAHAN PANAS DAN MASSA

DI DALAM FALLING FILM EVAPORATOR

CAMPURAN BLACK LIQOUR-UDARA

Dosen Pembimbing :

1. Prof.Dr.Ir Kusno Budhikarjono, M.T 2. Dr.Ir Susianto, DEA

Disampaikan oleh :

Fitri kurniawan Farandy irawan

(2306 100 010) (2306 100 105)

Jurusan Teknik Kimia

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

2010

(2)

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

PENDAHULUAN

(3)

Black Liquor merupakan produk samping dari proses

pembuatan pulp pada industri kertas. Black liquor adalah cairan

yang didalamnya terkandung lignin dan zat-zat pengotor dari kayu.

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

www.knowpulp.com/english/demo/english/pulping/cooking/1_process/1_principle/mustalip_koost.html

Sumber :

(4)

Latar Belakang

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

Pada industri kertas, black liquor dipekatkan dengan

menggunakan evaporator, selanjutnya dibakar pada recovery

boiler dimana kandungan bahan organiknya terdekomposisi

menjadi carbon doiksida (CO

₂

) dan air (H

₂

O) sedangkan

kandungan bahan anorganik seperti garam natrium dan

garam sulfat terkonversi menjadi leburan natrium karbonat

(Na

₂

CO

₃

) dan natrium sulfat (Na

₂

S) yang diteruskan menuju

proses berikutnya.

(5)

Latar Belakang

(6)

Latar Belakang

Penelitian mengenai falling

film evaporator untuk

diaplikasikan di industri

kertas mulai dikembangkan

Dalam industri kertas, teknologi

yang biasa digunakan dalam

mengevaporasikan black liquor

adalah rising film evaporator

tertahannya

lewat

Dengan rising film, kerak

kerap kali terbentuk karena

tertahannya black liquor lewat

panas cukup lama didalam

evaporator

(7)

Pada umumnya proses evaporasi

berlangsung dalam kondisi vakum yang

bertujuan untuk menurunkan suhu didih

larutan

Latar Belakang

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

Pada penelitian ini digunakan aliran gas

inert (udara) sebagai pengganti kondisi

vakum, untuk meminimalkan biaya

energi untuk operasi suatu pabrik

(8)

Peneliti

Tahun

Lingkup Penelitian

Palen, et al 1994 mengadakan penelitian hubungan antara perpindahan panas dan perpindahan massa, untuk campuran biner ethylen glikol dan propilen glikol, pada tekanan atmosfer, Penelitian ini menggunakan distribusi film tipe plug flow melalui celah. Kesimpulan yang diperoleh adalah koefisien perpindahan panas untuk campuran tidak terlalu tergantung pada suhu dinding dan bilangan Reynolds tetapi sangat tergantung pada komposisi campuran

Lailatul, et al 2000 mengadakan penelitian tentang pengaruh laju alir, dan konsentrasi terhadap koefisien perpindahan panas untuk larutan gula. Penelitian ini dilakukan pada

tekanan atmosferik. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa koefisien perpindahan panas tergantung pada laju alir dan konsentrasi larutan.

Peneliti Terdahulu

(9)

Peneliti

Tahun

Lingkup Penelitian

Fang C. Chen , Zhiming Gao

22003 Menganalisa falling film evaporator untuk larutan black

liquor. Hasilnya, Falling film evaporator lebih efektif

mengurangi terjadinya kerak black liquor dibandingkan dengan rising film evaporator.

Kusno Budhikarjono, et al 22006 Meneliti Perpindahan Panas dan Massa Penguapan

Falling Film untuk Campuran Uap – Gas. Hasil yang

diperoleh menunjukkan bahwa meningkatnya laju alir udara, perpindahan panas dan massanya juga akan meningkat meskipun tidak signifikan

Aries Arthanto dan Ferry Yoga MT

22007 MenelitiMeneliti PPerpindahanerpindahan PanasPanas dandan MassaMassa FallingFalling FilmFilm Evaporator

Evaporator untukuntuk SistemSistem LarutanLarutan CMCCMC ((CarboxyCarboxy Methyl

Methyl Cellulose)Cellulose) –– UdaraUdara.. LajuLaju liquidaliquida dandan lajulaju udaraudara naik

naik,, makamaka KoefisienKoefisien perpindahanperpindahan panaspanas ikutikut naiknaik ;; Konsentrasi

Konsentrasi liquidaliquida naiknaik,, perpindahanperpindahan panaspanas akanakan turun

turun..

Peneliti Terdahulu

(10)

Peneliti Terdahulu

Peneliti

Tahun

Lingkup Penelitian

Bhargava, et al 22007 Mengadakan simulasi tentang flat falling film evaporator untuk larutan black liquor. Diperoleh model yang mampu memprediksikan konsentrasi dan perbedaan temperatur liquor dengan error sekitar -0.2 hingga 0.4%

Johansson, et al 22008 Mempelajari kondisi hydrodynamic dari black

liquor saat diuapkan dengan falling film evaporator. Hasil yang diperoleh pada saat

proses berlangsung black liquor banyak

menghasilkan busa. Dimana busa

mempengaruhi laju dari perpindahan panas.

Gallilea Tanjung dan Reino Arif

22009 Mengadakan Simulasi Falling Film Evaporator dengan Sistem larutan Black liquor – Udara.

Hasilnya, perpindahan panas tergantung dari laju alir larutan, semakin besar laju alir larutan

semakin besar perpindahan panasnya ;

Perpindahan panas tergantung dari laju alir gas, semakin besar laju alir gas semakin kecil temperatur gas.

(11)

Rumusan Masalah

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

Ingin dikembangkannya penelitian yang berhubungan

dengan falling film evaporator sistem uap-gas, terutama

untuk larutan-larutan yang berkaitan dengan dunia industri.

Penelitian ini dilakukan secara eksperimen dengan

menggunakan larutan black liquor.

(12)

Tujuan dan Manfaat Penelitian

o

Tujuan penelitian

Penelitian ini dilakukan untuk mengevaluasi pengaruh laju alir udara,

laju alir black liquor , dan arah aliran udara terhadap koefisien

perpindahan panas dan massa di dalam falling film evaporator. Serta

menentukan persamaan empiris koefisien perpindahan panas dan

massa.

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

o

Manfaat Penelitian

Penelitian ini bermanfaat sebagai alternatif menekan biaya operasi dan

adanya kebocoran terutama bagi industri kertas yang masih

menggunakan evaporator alat vakum dengan cara menggantikannya

dengan aliran udara

(13)

Menentukan koefisien perpindahan panas dan massa

pada falling film evaporator dengan menggunakan

distribusi overflow weir, dimana udara dialirkan searah

(co-current) dan berlawanan arah (counter (co-current)dengan aliran

black liquor yang dibatasi dengan tinjauan sebagai berikut :

1. Laju alir Black Liquor

2. Laju alir udara

3 . Arah aliran udara

Batasan Masalah

(14)

METODOLOGI PENELITIAN

(15)

Tahapan Penelitian

Secara keseluruhan penelitian ini dilakukan dengan

beberapa tahapan yaitu :

 Persiapan peralatan

 Penelitian

 Pengamatan

 Perhitungan

(16)

Peralatan dirangkai dalam 2 skema, yaitu;

1. Untuk penelitian dengan aliran udara searah

2. Untuk penelitian dengan aliran udara berlawanan arah

Skema peralatan

(17)

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

Berikut adalah peralatan tambahan yang di pergunakan dalam penelitian :

1. Termokopel tipe K

2. Rotameter

3. Manometer

4. 1 unit data taker beserta 1 unit personal computer

5. 1 buah piknometer dan neraca analitis (timbangan)

6. 1 unit pengukur viskositas (Oswalt)

(18)

Variabel Penelitian

o

Laju alir umpan Black Liquor :

0.10 m

3

_/jam,

0.11 m

3

_/jam,

0.12 m

3

_/jam,

0.13 m

3

_/jam,

0.14 m

3

_/jam,

0.15 m

3

_/jam,

0.16 m

3

_/jam

o

Laju alir Udara :

0 m

3

_/jam,

1 m

3

_/jam,

2 m

3

_/jam,

3 m

3

_/jam,

4 m

3

_/jam,

6 m

3

_/jam,

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

o

Arah alir Udara :

Berlawanan arah ,

Searah

(19)

Skema Tahapan Penelitian

Mulai

Larutan Black Liquor

Isi lar. ke tangki umpan Panaskan hingga sama dengan suhu produk keluar evaporator

Alirkan ke tangki overflow

Alirkan ke evaporator dengan laju alir sesuai variabel Mulai

Alirkan udara dari kompresor

Panaskan hingga sama dengan suhu produk keluar evaporator

Alirkan ke evaporator dengan laju alir sesuai variabel

Pengamatan data Perhitungan data

Akhir Dengan Aliran Searah

(20)

Tahap Perhitungan

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

Hitung suhu dinding rata-rata, ΔTw rata-rata

Buat kurva kalibrasi rotameter udara dan

cairan

Hitung laju alir massa umpan, F dan produk, P

Hitung fluks panas, Q

Hitung koefisien perpindahan panas, h

Hitung bilangan tak berdimensi (NRe,L, NRe,G,

NPr, NNu)

Hitung koefisien perpindahan massa, β

Hitung bilangan tak berdimensi (NSc, NSh)

Hitung harga konstanta untuk kolerasi perpindahan panas, perpindahan massa, dan

perpindahan panas dan massa simultan dengan regrasi linear

(21)

METODOLOGI PENELITIAN

HASIL PENELITIAN dan PEMBAHASAN

(22)

Pengaruh Laju Alir Liquida

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

1.500 1.520 1.540 1.560 1.580 1.600 1.620 1.640 1.660 1.680 1.700 1.720 1.740 80 100 120 140 160 K oef is ien perpind aha n pa na s, hi (k W/m 2.K )

Laju alir black liquor (l/jam)

udara 0 m3/jam udara 1 m3/jam udara 2 m3/jam udara 3 m3/jam udara 4 m3/jam udara 6 m3/jam

Kurva koefisien perpindahan panas vs laju alir black liquor pada aliran udara belawanan arah

(23)

Pengaruh Laju Alir Udara

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

1.550 1.570 1.590 1.610 1.630 1.650 1.670 1.690 1.710 1.730 1.750 0 1 2 3 4 5 6 7 K oef is ien perpind aha n pa na s, hi (k W/m 2.K )

Laju alir udara (m3_/jam)

black liquor 100 l/jam black liquor 110 l/jam black liquor 120 l/jam black liquor 130 l/jam black liquor 140 l/jam black liquor 150 l/jam black liquor 160 l/jam

Kurva koefisien perpindahan panas vs laju alir udara pada aliran udara berlawanan arah

(24)

Pengaruh Arah Aliran Udara

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

1.580 1.600 1.620 1.640 1.660 1.680 1.700 1.720 1.740 0 1 2 3 4 5 6 7 K oef is ien perpind aha n pa na s, hi ( kW/m 2.K )

Laju alir udara (m3_/jam)

black liquor 110 l/jam - berlawanan arah black liquor 110 l/jam - searah

Kurva koefisien perpindahan panas vs laju alir udara pada aliran black liquor 110 l/jam, 130 l/jam dan 160 l/jam

(25)

Korelasi Empiris

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

Perpindahan Panas

N

Re,L

percobaan : 605 -1500 (laminar)

1500 - 1771 (transisi)





Pr1.36693 15587 . 0 Re, 3 / 1 2

0041

.

0 N

N

g

k

h

l G L L L

























Re, 0.01116 98250 . 0 Pr 21912 . 0 Re, 3 / 1 2

0036

.

0

_l _G G L L L

N

g

k

h

_



















A. A. Aliran

Aliran udara

udara berlawanan

berlawanan arah

arah

(udara)

(tanpa udara)

(26)

Korelasi Empiris

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

Perpindahan Massa

2408 . 1 4587 . 0 Re,

0001

.

0

_l _Sc Sh

N

N 

11116 . 0 Re, 03015 . 1 4465 . 0 Re,

00017

.

0

_l _Sc _G Sh

N

N 

B. B. Aliran

Aliran udara

udara searah

searah

Perpindahan Panas





Pr0.043 0.19868 Re, 3 / 1 2

0.02938

N

g

k

h

l G L L L

























Re, 0.00577 0.9616 Pr 0.1961 Re, 3 / 1 2

0.0045

_l _G G L L L

N

g

k

h

_



















(udara)

(tanpa udara)

(udara)

(tanpa udara)

(27)

Rumusan Masalah

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

Perpindahan Massa

063 . 1 5139 . 0 Re,

000108

.

0

_l _Sc Sh

N

N 

0211 . 0 Re, 8749 . 0 5128 . 0 Re,

000312

.

0

_l _Sc _G Sh

N

N 

(udara)

(tanpa udara)

(28)

METODOLOGI PENELITIAN

KESIMPULAN

(29)

Kesimpulan

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

Disimpulkan :

Laju alir black liquor naik, koefisien perpindahan panas naik.

Laju alir : 100 l/jam

Laju alir : 130 l/jam

hi : 1.569 kW/m

2

_.K

hi : 1.605 kW/m

2

_.K

Dari eksperimen untuk perubahan laju alir black liquor :

(30)

Kesimpulan

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

Disimpulkan :

Laju alir udara naik, koefisien perpindahan panas naik, namun

tidak terlalu signifikan.

Laju alir : 0 m

3

_/jam

Laju alir : 3 m

3

_/jam

hi : 1.569 kW/m

2

_.K

hi : 1.570 kW/m

2

_.K

Dari eksperimen untuk perubahan laju alir udara :

(31)

Kesimpulan

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

Disimpulkan:

Aliran udara berlawanan arah menghasilkan koefisien

perpindahan panas yang relatif lebih besar dibandingkan

dengan aliran searah.

Belawanan arah

Searah

hi : 1.725 kW/m

2

_.K

hi : 1.709 kW/m

2

_.K

(32)

Penutup

Terima Kasih

(33)

Kerterangan :

Aliran Udara

co-current

1 : Evaporator 2 : tangki konsentrat 3 : tangki produk 4 : tangki kondensat 5 : tangki umpan 6 : tangki overflow 7 : kondensor

8-13 : pengukur suhu dinding 14 : pengukur suhu umpan

15 : pengukur suhu campuran uap–udara keluar 16 : pengukur suhu udara masuk

17 : pengukur suhu produk 18 : rotameter umpan 19 : rotameter udara

20 : alat pemanas tangki umpan 21 : alat pemanas evaporator 22 : alat pemanas udara

23 : pompa umpan 24 : sight glass 25 : kompresor 26 : distributor 27 : penunjuk level 28 : pengukur tekanan

29 : pipa pengambilan contoh produk

30 : by pass 31-35 : valve 3 4 18 7 27 1 2 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 17 20 21 23 24 26 28 29 30 31 32 33 34 35 19 25 16 22 Udara Air Pendingin

(34)

Kerterangan :

Aliran Udara

counter current

1 : Evaporator 2 : tangki konsentrat 3 : tangki produk 4 : tangki kondensat 5 : tangki umpan 6 : tangki overflow 7 : kondensor

8-13 : pengukur suhu dinding 14 : pengukur suhu umpan

15 : pengukur suhu campuran uap–udara keluar 16 : pengukur suhu udara masuk

17 : pengukur suhu produk 18 : rotameter umpan 19 : rotameter udara

20 : alat pemanas tangki umpan 21 : alat pemanas evaporator 22 : alat pemanas udara

23 : pompa umpan 24 : sight glass 25 : kompresor 26 : distributor 27 : penunjuk level 28 : pengukur tekanan

29 : pipa pengambilan contoh produk

30 : by pass 31-35 : valve 3 4 18 7 27 1 2 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 17 20 21 23 24 26 28 29 30 31 32 33 34 35 25 22 Udara 19 16 Air Pendingin