59 4.1. Tujuan Percobaan
- Menghitung luas permukaan heat transfer
- Menghitung karakteristik produk evaporasi yang meliputi densitas dan viskositas.
4.2. Tinjauan pustaka
Evaporasi adalah menguapkan cairan yang ada pada larutan, sehingga diperoleh suatu larutan yang lebih pekat (thick liquor). Alat untuk melakukan evaporasi adalah evaporator. Evapaorator merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengevaporasi sebagian atau seluruh pelarut dari suatu larutan. Hasilnya biasanya berupa zat padat atau konsentrat dari larutan. Jika hasilnya zat padat, panas yang dibutuhkan untuk penguapan larutan harus disuplai ke suspensi zat padat pada larutan, jika tidak alat tersebut dikasifikasikan sebagai pengering (Moeksin, 2009).
Faktor-faktor yang mempengaruhi proses evaporasi adalah sebagai berikut:
1. Konsentrasi Larutan
Pada umumnya bahan masukan yang berupa cairan bersifat encer, memiliki viskositas rendah atau sama dengan air sehingga diperoleh koefisien transfer panas yang cukup tinggi. Saat proses evaporasi berlangsung, larutan menjadi bertambah konsentrasinya sehingga viskositasnya meningkat menyebabkan koefisien transfer panas menurun drastis. Sirkulasi yang memadai dan atau turbulensi harus dijaga untuk menghindari koefisien transfer panas yang terlalu rendah.
2. Kelarutan
Ketika larutan dipanaskan dan konsentrasi zat terlarut meningkat melebihi batas nilai kelarutan suatu zat maka dapat terbentuk kristal. Kondisi ini adalah batas maksimum konsentrasi zat terlarut dalam larutan yang bisa dicapai melalui proses evaporasi.
Pada batas kelarutan ini, jika larutan panas didinginkan kembali ke suhu ruang maka akan terbentuk kristal. Kelarutan akan bertambah apabila suhu dinaikkan.
3. Sensitivitas suhu material
Banyak produk, khususnya makanan dan material biologis lainnya mungkin saja sangat sensitif terhadap suhu dan terdegradasi pada suhu tinggi atau pada pemanasan berkepanjangan. Degradasi produk bergantung pada suhu dan waktu operasi
4. Berbusa atau foaming
Dalam beberapa kasus, material mengandung larutan kaustik yang bersifat panas, korosif, dan mengiritasi. Larutan pada bahan makanan seperti susu skim, dan larutan asam lemak lainnya dapat membentuk busa atau berbuih pada saat mendidih. Foam yang terbentuk hilang bersama air yang diupkan sehingga massa larutan menjadi berkurang.
5. Tekanan dan suhu
Titik didih suatu larutan berpengaruh terhadap tekanan sistem. Semakin tinggi tekanan operasi, semakin tinggi pula suhu dalam evaporator. Dilain pihak, titik didih larutan yang konsentrasinya tinggi juga semakin tinggi. Fenomena ini disebut kenaikan atau elevasi titik didih. Untuk menjaga suhu tetap rendah pada bahan yang sensitif terhadap panas maka perlu diatur pada tekanan vakum “(dibawah 1 atm).
6. Skala endapan dan bahan konstruksi
Beberapa larutan dapat membentuk endapan atau kerak yang disebabkan adanya dekomposisi produk atau kelarutan yang menurun selama proses evaporasi. Hal ini menyebabkan koefisien transfer panas ikut menurun sehingga evaporator harus dibersihkan terlebih dahulu utnuk mencegah korosi (Geankoplis, 1993).
Evaporator adalah jenis paling sederhana yang terdiri dari bejana terbuka terbuat dari besi tuang dimana larutan akan dididihkan. Sebagai pemanas bisa digunakan api langsung atau mantel kukus. Untuk mencegah terbentuknya kerak, panci dilengkapi dengan pengaduk jangkar (anchor paddle) yang memiliki bentuk sesuai dengan kontur dasar panci. Evaporator ini murah dan operasinya sederhana, tetapi efisiensi panasnya
rendah sehingga alat ini cocok digunakan untuk industri kecil/rumah tangga. Untuk efisiensi yang lebih baik, seringkali posisi media pemanas berada terendam dalam larutan yang akan dievaporasi, contohnya kukus berada dalam pipa spiral yang terendam dalam larutan yang akan dievaporasi.
Jenis-jenis evaporator berdasarkan jumlah badan dalam pengoperasian evaporator, kita bedakan evaporator efek tunggal/satu tahap (single effect evaporator) dan evaporator efek atau tahap banyak (multiple effect evaporator).
a. Evaporator efek tunggal atau satu tahap (single effect evaporator)
Umpan dipanaskan atau diuapkan dengan jalan memasok kukus jenuh dari luar dan kemudian uap yang terjadi dikondensasikan dimana panasnya diambil oleh air pendingin dari luar. Disini terlihat bahwa panas latennya dibuang begitu saja melalui air pendingin. Evaporator tunggal digunakan bila kapasitasnya kecil dan tersedia kukus yang murah/banyak (Soetedjo, 2009).
Gambar 4.7. Single Effect Evaporator b. Evaporator tahap banyak (multiple effect evaporator)
Dalam pembelajaran parallel feed evaporator pembangkit listrik efek ganda menunjukkan bahwa dalam 1 lb uap dari evaporator jenis multiple effect mengahasilkan 2,25 lb air (Kern,1950). Untuk menghemat pemakaian kukus serta meningkatkan efisiensi panas, digunakan orang evaporator tahap banyak, dimana kukus dari larutan digunakan sebagai sumber panas untuk penguapan larutan dialat lain (daur ulang kukus). Cara ini dikenal dengan nama evaporasi tahap banyak (multiple effect evaporator). 20 Dalam alat ini panas laten yang terdapat dalam kukus dari penguapan larutan umpan digunakan untuk menguapkan larutan umpan yang lain di alat lain, mengingat diperlukannya flux temperatur dalam pemindahan panas, maka proses penguapan dengan menggunakan kukus ini harus dilakukan pada temperatur yang lebih rendah. Hal ini dapat dicapai dengan menurunkan tekanan
operasi penguapannya. Melalui cara ini penguapan bertahap banyak tersebut dapat dilakukan sampai tahap ke 3 atau 4 yang dikenal dengan nama triple atau quadruple effect evaporator.
Gambar 4.8. Forward Feed Multiple Effect Evaporator
Gambar 4.9. Backward Feed Multiple Effect Evaporator Tipe-tipe evaporator berdasarkan alirannya antara lain:
a. Falling Film Evaporator
Evaporator vertikal tabung panjang umumnya ditemukan di industri makanan.
Tipe evaporator ini digunakan untuk produk sensitif panas. Tabung biasanya panjangnya 3,5 sampai 12 m dengan ID 25 sampai 50 mm. Dalam jenis film jatuh, cairan dimasukkan ke bagian atas tabung dan jatuh sebagai film di dinding bagian dalam. Saat cairan memasuki bagian atas film jatuh evaporator, film cair yang dibentuk oleh gravitasi mengalir ke permukaan perpindahan panas. Selama penguapan, uap mengisi bagian tengah saluran dan saat momentum uap berakselerasi gerakan ke bawah, film menjadi lebih tipis. Waktu penahanan biasanya kecil (30 detik sampai 2 menit) dan suhu mendidih pada dasarnya sama dengan uap. Biasa Masalah yang dihadapi dengan jenis evaporator ini adalah penyumbatan sistem distribusi oleh padatan tersuspensi atau tidak terlarut dan memerlukan pembersihan yang sistematis dan efisien. Masalah distribusi umpan di dinding tabung tempat penguapan sedang berlangsung dapat diatasi dengan menggunakan semprotan nozel untuk memberi umpan cairan ke masing-masing tabung. Alternatif lainnya adalah
penggunaan pelat berlubang di atas tabung dengan lubang di inlet masing-masing tabung.
Keseluruhan koefisien perpindahan panas 2500 W/m2.K biasanya ditemukan pada efek pertama dan nilai 1000 W / m2.K khas pada efek terakhir dari sistem multi- efek. Ini Sistem penguapan biasanya digunakan dalam konsentrasi susu dan jus buah.
Gambar 4.1. Falling film evaporator b. Forced-Circulation Evaporator
Jenis evaporator digunakan untuk cairan kental atau untuk produk dengan suspensi padatan dan menunjukkan sedikit pengotoran, penskalaan, atau pengasinan dari pada evaporator resirkulasi alami. Itu cairan dapat dipompa melalui elemen pemanas pada tingkat yang konstan terlepas dari tingkat penguapan; Hal ini memudahkan untuk menganalisa dan mengendalikan. Kecepatan cairan dalam tabung bisa melebihi 5 m/s. Sistem ini biasanya dirancang agar cairan didaur ulang melalui elemen pemanas di bawah tekanan. Tidak ada proses mendidih sampai produk mencapai pemisah ruang dimana terjadi flashing uap. Elemen pemanas bisa bersifat eksternal atau internal dan vertikal atau horizontal tergantung pada tujuan penggunaan. Umpan cairan kental, yaitu produk cairan tomat, biasanya diuapkan dengan jenis sistem ini. Koefisien perpindahan panas rata-rata diatas 2000 W/m2.K telah dilaporkan. Evaporator paksa biasanya lebih mahal daripada evaporator film karena kebutuhan akan daya pompa sirkulasi besar. Biaya operasi unit tersebut juga jauh lebih tinggi.
Gambar 4.2. Forced circulation evaporator Tipe-tipe evaporator berdasarkan bentuknya antara lain:
a. Short Tube Evaporator
Ini adalah salah satu evaporator pertama yang pernah dikembangkan dan sering disebut evaporator tabung pendek atau evaporator calandria. Ini beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dan digunakan dengan produk yang tidak sensitif terhadap panas seperti larutan gula. Mereka biasanya digunakan di sistem multi-efek Ini terdiri dari badan vertikal dengan susunan bundel tabung 2,5 sampai Panjang 3,5 m dan diameter 33 sampai 46 mm (ID). Cairan tersebut dimasukkan ke bagian bawah calandria di mana ia mulai dipanaskan dan mendidih saat naik ke puncak evaporator.
Uap menghasilkan akan mengalir ke puncak tempat deflektor memisahkan udara yang masuk dalam fase cair menjadi uap. Konsentrat keluar dari pusat dan diresirkulasi atau diumpankan ke efek selanjutnya. Waktu tinggal yang tinggi (10 sampai 20 menit) dalam jenis sistem ini membuat kurang cocok untuk fluida cair yang sensitif terhadap panas. Sebagian besar konsentrasi larutan gula menggunakan jenis evaporator ini. Keseluruhan koefisien perpindahan panas mulai dari 1000 sampai 1500 W/m2.K.
Gambar 4.3. Short tube evaporator b. Rising Film Evaporator
Evaporator ini juga tipe tabung panjang dan beroperasi pada vakum tinggi.
Mereka bisa digunakan dalam sistem sirkulasi resirkulasi atau tunggal dan dalam mode single atau multiple-effect. Mereka Biasanya digunakan untuk penguapan jus tomat dan buah. Evaporator yang khas miliki tabung baja stainless vertikal 6 sampai 12 m panjang. Dalam sistem ini, cairan dipompa ke bawah dari evaporator dan naik melalui tabung di bawah vakum. Dua zona diidentifikasi di tabung, zona cair dimana pakan meningkat dan zona mendidih di bagian atas evaporator dimana aliran dua fasa berlangsung. Karena itu, perbedaan suhu dan panas keseluruhan koefisien transfer bisa sangat berbeda di bagian bawah dan atas evaporator. Karena titik didih puncak statis dan titik didih tekanan meningkat di bagian bawah evaporator hingga 5 sampai 10 °C dan waktu penahanan bervariasi antara 2 sampai 3 menit. Koefisien perpindahan panas rata-rata hingga 1800 W/m2.K.
Gambar 4.3. Rising film evaporator
b. Plate-Type Evaporator
Evaporator dimana umpan tersebut disirkulasikan dengan kekuatan melalui pelat penukar panas dan kemudian melintas ke ruang pemisah. Evaporator plat awalnya dikembangkan pada tahun 1957 untuk memberikan alternatif pada sistem tubular. Evaporator plat bisa memberikan kapasitas fleksibel hanya dengan menambahkan plat unit dan desain yang lebih kompak dengan persyaratan headroom rendah.
Gambar 4.5. Plate type evaporator Keterangan:
A : Product B : Concentrate C : Condensate D : Heating steam E : Vapor
1 : Main separator 2 : Pre-separator 3 : Plate calandria
(Kenneth, dkk., 1997)
Persamaan dasar untuk perhitungan kapasitas pada single effect evaporator adalah sebagai berikut :
Persamaan dasar bagi penyelesaian kapasitas dari satu efek dengan evaporator yang dapat ditulis sebagai :
- Neraca massa
V L
F ...(4.1)
- Neraca entalpi
S V
L S
F S H L h V H S h
h
F ...(4.2) - Luas perpindahan panas
ΔT A U
q ...(4.3)
Keterangan:
q = Membuat panas dan material keseimbangan dengan evaporator A = Luas transfer panas
U = Koefisien transfer overall
∆𝑇 =Pertentangan dalam suhu antara kondensasi uap dan mendidihnya evaporator F = Feed
L = Keluar sebagai cairan adalah terkonsentrasi cair
V =Kesetimbangan dengan cairan liquid,suhu uap dan cair adalah sama
(Geankoplis,1997).
Aplikasi penggunaan evaporator salah satunya dalam industri gula. Evaporator menjadi sangat vital karena berfungsi mengentalkan nira cair untuk selanjutnya dikristalisasi. Dalam proses produksi gula kristal di PT Rajawali II unit pabrik gula jati tujuh-Majalengka terdapat stasiun evaporasi dimana hasil dari stasiun evaporasi adalah nira kental. Kadar air yang terdapat pada nira encer sebelum masuk stasiun evaporasi adalah sebesar 87,08%, dan nira kental memiliki kadar air sebesar 48,03%. Efek dari proses evaporasi berhasil meng-uapkan air sebesar 55% (Marimin,2015).
4.3. Variabel Percobaan a. variabel tetap
- Variabel tetap
Suhu proses evaporasi : 70 oC - Variabel berubah
Kadar larutan : 10%
Waktu proses : 15, 30, 45, dan 60 menit
4.4. Alat dan Bahan
A. Alat-alat yang digunakan:
- Batang Pengaduk - Beakerglass - Heater - Ember
- Instrumen Evaporator - Neraca Analitik - Piknometer
4.5. Prosedur Percobaan 1. Tahap persiapan percobaan
Menyalakan power evaporator serta mixer dan set suhu pada 70 oC
Membuka valve vakum dan menutup valve yang lain
Menyalahkan tombol vacum
Menunggu hingga suhu didalam evaporator 70 oC 2. Tahap persiapan bahan
Menyiapkan gula sebanyak 500 gram
Menyiapkan aquadest sebanyak 5 liter, wadah diisi 5 liter dan memanaskan sampai suhu 70 oC
Mencampurkan gula dan aquadest 3 liter ke dalam wadah serta mengaduknya hingga homogen.
3. Tahap percobaan
Memasukkan bahan yang telah dipreparasi dan telah dihitung densitasnya terlebih dahulu ke dalam evaporator
Sebelumnya, tutup valve vakum secara perlahan dan buka valve yang lain, kemudian buka tutup evaporator dan masukkan bahan
Menunggu hingga 15 menit, kemudian mengambil sampe dengan cara membuka dahulu valve vakum secara perlahan, buka valve lain kemudian buka valve keluaran evaporator
Mencatat densitas keluaran evaporator pada 15 menit
Melakukan tahap diatas pada 30 dan 60 menit.
B. Bahan-bahan yang digunakan:
- Aquadest - Gula
