DASAR TEORI

Proses evaporasi bertujuan untuk menaikkan konsentrasi atau kadar kepekatan suatu

larutan yang terdiri dari zat terlarut yang tak mudah menguap dari zat pelarutnya yang relatif

lebih mudah menguap. Penguapan beberapa porsi pelarut tersebut akan memberikan produk

yang berupa larutan pekat dan kental; sedangkan hasil kondensasi uap pelarutnya bisa

dibuang langsung sebagai limbah, yang seharusnya diberi perlakuan kimia kalau pelarut itu

berbahaya, atau didaur ulang dan diguanakan lagi sebagai pelarut.

Falling film evaporator (FFE) adalah salah satu jenis alat untuk proses evaporasi

yang diklasifikasikan dalam kelas ‘long tube verikal evaporator’, LTVE, bersama-sama

dengan climbing film evaporator (CFE). Sedangkan berdasarkan tipe pemanasan dapat

diklasifikasikan ke dalam sistem pemanasan dipisahkan oleh dinding pertukaran panas, yaitu

antara lain jenis kolom calandria dan shell and tube.

Dalam perpindahan panas falling film evaporator, salah satu hal utama yang

berperan penting adalah laju penguapan film. Metode- metode yang dapat digunakan untuk

meningkatkan laju penguapan film tipis adalah : (Hewitt, dkk, 1994)

1. Menaikkan suhu permukaan yang dipanasi, Tw

2. Menurunkan tahanan panas film, misal dengan menaikkan koefisien perpindahan

panas, h

3. Menurunkan suhu permukaan cairan, Ts .

a. Dalam keadaan uap murni yaitu dengan menurunkan tekanan total

b. Dalam keadaan campuran uap-gas yaitu dengan menurunkan tekanan parsial

uap

Metode 1 terbatas karena sering terjadi nucleate boiling yang sulit dihindari. Metode

2 digunakan pada film tipis. Metode 3.a. mempunyai pemasalahan kebocoran dalam sistem

vakum. Metode 3.b. secara luas digunakan untuk mengatasi masalah pada metode 3.a. salah

satunya dengan hembusan udara.

Falling film evaporator memiliki kelebihan dan kelemahan : (Hewitt, dkk, 1994;

Salvagnini M.W dan Maria E.S.T, 2004)

Aplikasi waktu tinggalnya singkat dan digunakan untuk fluida sensitif terhadap

panas

Hanya dibutuhkan ruang yang kecil untuk penempatannya

Digunakan untuk cairan dengan kandungan padatan rendah

Koefisien perpindahan panas tinggi

Tidak ada kenaikan titik didih yang disebabkan perbedaan tekanan

Prinsip penting yang harus diperhatikan dalam desain falling film evaporator adalah:

1. Larutan lewat panas harus cukup rendah untuk membatasi terbentuknya nucleate

boiling, yang akan menyebabkan deteriorasi.

2. Dibutuhkan perbedaan yang cukup antara suhu permukaan yang dipanasi dengan suhu

jenuh sesuai dengan tekanan uap parsialnya.

3. Film larutan tipis dengan koefisien perpindahan panas yang memadai.

4. Laju alir umpan harus cukup besar untuk mencegah agar film larutan menjadi merata.

5. Pada sistem aliran counter-current, laju alir gas keluar harus lebih kecil daripada batas

flooding.

6. Sistem distribusi larutan pada bagian permukaan larutan memungkinkan untuk

menghasilkan ketebalan film yang seragam.

Pada versi falling film LTVE ini problem seperti perbedaan tekanan hidrostatik

dapat dieliminasi dan walaupun pemisahan larutan dan uap pelarut terjadi di bagian bawah

kolom sebagian uap akan lolos dan membumbung ke atas kolom. Sebagai akibatnya beda

tekanan sepanjang kolom menjadi kecil dan larutan akan mendidih seragam sama seperti

temperatur uap sepanjang kolom. Karenanya koefisien perpindahan panas akan tinggi

sehingga waktu proses demikian singkat. Hal inipun berlaku walaupun titik didih yang terjadi

rendah. Sifat seperti ini bermanfaaat untuk pengentalan bahan-bahan yang peka terhadap

panas, misalnya sari buah. Selain itu sebagaimana LTVE pada umumnya, FFE memiliki

efektivitas yang baik untuk:

1. Pengentalan larutan-larutan jernih

2. Pengentalan larutan-larutan berbusa

3. Pengentalan larutan-larutan korosif

4. Beban penguapan yang tinggi

5. Temperatur operasi yang rendah

Hal-hal yang mmpengaruhi proses penguapan :

Sifat yang Mempengaruhi Proses Penguapan

a. Konsentrasi larutan

b. Kelarutan

c. Kesensitifan bahan terhadap suhu

d. Busa

e. Tekanan dan suhu

f. Pembentukan endapan dan bahan konstruksi

Variabel yang Mempengaruhi Operasi Penguapan

a. Suhu umpan

b. Tekanan operasi

c. Suhu media pemanas

d. Waktu tinggal

e. Turbulensi

Macam-macam Fluida

Fluida Newtonnian

Fluida yang mengikuti hukum Newton untuk viskositas, yaitu pada aliran

fluida dalam pipa adalah, dimana viskositas fluida adalah konstan dan grafik

hubungan antara shear stress dan shear rate linier.

Fluida non-Newtonnian

Yaitu fluida yang sifat alirannya tidak dapat dideskripsikan dengan satu nilai

viskositas yang konstan. Pada grafik hubungan antara shear stress dan shear rate

tidak linier. Ada beberapa model untuk fluida non-Newtonnian, antara lain model

power law yang dinyatakan dimana n dan m adalah parameter viskositas pada model

power law. Bila n>1 maka fluida disebut dilatant dalam hal ini viskositas fluida naik

dengan kenaikan stress. Sedangkan n<1, fluida disebut pseudoplastic, dalam hal ini

viskositas turun dengan kenaikan stress.

Gambar fluida Newtonian dan non- Newtonnian dapat dilihat pada Gambar

2.5. dibawah ini :

Bilangan-bilangan Tak Berdimensi

a. Bilangan Nusselt (NNu)

Bilangan Nusselt merupakan rasio antara konveksi perpindahan panas dengan

konduksi perpindahan panas pada kondisi yang sama. Asumsi bahwa permukaan fluida

bergerak, sehingga perpindahan panas secara konveksi terjadi, maka fluks panas :

q/A = h ΔT ..... (2.1)

Jika disisi lain permukaan fluida dianggap tidak bergerak, maka perpindahan

panas konduksi terjadi, fluks panas akan menjadi :

q/A = k ΔT / δ ..... (2.2)

b. Reynold Number (NRe)

Bilangan Reynold merupakan rasio antara gaya inersia (ρ/vs) terhadap gaya

viskos (µ/L) yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu

kondisi aliran tertentu. (http://id.wikipedia.org/wiki/Bilangan_Reynolds)

c. Prandtl Number (NPr)

Bilangan Prandtl merupakan rasio antara difusifitas momentum (kinematic

viscosity, µ/ρ) dengan difusifitas panas (k/(ρ.Cp)).

d. Sherwood Number (NSh)

Bilangan Sherwood merupakan rasio antara koefisien perpindahan massa

konveksi (β/δ) dengan difusifitas bahan (D)

e. Schmidt Number (NSc)

Bilangan Schimd merupakan rasio antara difusifitas momentum (µ/ρ) dengan

difusifitas massa (D), dan digunakan untuk menggambarkan aliran fluida dimana

terdapat momentum simultan dan proses konveksi difusi massa.

(http://en.wikipedia.org/wiki/Schmidt_number)

a. Proses Evaporasi di Dalam FFE

Umpan dimasukkan melalui bagian atas kolom dan secara gravitasional, jika

vakum tidak dioperasikan, turun dan membasahi dinding bagian dalam kolom dan

dinding-dinding bagian luar tabung-tabung penukar panas di dalam kolom sebagai lapisan

tipis (film).

Maka panas yang diberikan oleh medium pemanas di dalam penukar panas akan

dipakai untuk memanaskan larutan mencapai titik didihnya, penguapan pelarut dan

membawa temperatur uap dari titik didih hingga temperatur di atasnya.

Sehingga di dalam kolom evaporator akan terdapat campuran antara larutan pada

temperatur penguapan pelarut atau sedikit lebih rendah/tinggi dan uap pelarut. Karena

temperatur pada tangki pemisah dan pendingin (kondensor) lebih rendah dari pada

temperatur pada bagian bawah kolom, maka sistem pada kolom tersebut akan mengalami

evakuasi (pengosongan tekanan) yang dalam arti sebenarnya terjadi penurunan tekanan

sehingga kondisi seperti vakum terjadi.

Oleh karenanya campuran tersebut akan terhisap menuju tangki pemisah dimana

bagian campuran yang berupa larutan produk yang lebih berat dan pekat turun menuju

tangki pengumpul produk, sedangkan uap pelarut menuju kondensor dikondensasi dan

turun ke tangki pengumpul distilat.

Pada sistem dimana kondisi vakum dioperasikan oleh pompa vakum proses akan

berlangsung serupa, tetapi titik didih yang dicapai akan lebih rendah dari pada kondisi

atmosferik. Selain itu kemungkinan aliran balik (blow-back) karena pembentukan uap

pelarut dan tekanan parsial yang dikandungnya lebih kecil.

b. Perhitungan Teoretikal FFE-Sistem Tumpak (Batch)

Kinerja suatu evaporator ditentukan oleh beberapa faktor antara lain :

1. Konsumsi uap

2. Ekonomi uap atau ratio penguapan

3. Kadar kepekatan, konsentrasi produk

4. Persentase produk

Untuk tinjauan teknik dan karateristik evaporator yang perlu diperhatikan adalah :

1. Neraca massa dan neraca panas

2. Koefisien perpindahan panas, dan

3. Efisiensi

Pada dasarnya evaporator adalah alat dimana pertukaran panas terjadi. Laju

perpindahan panas dinyatakan dalam persamaan umum :

Q = U . A . ΔT

Dimana U = Koefisien seluruh perpindahan panas dalam sistem

Untuk sistem tumpak tunggal, kalor laten kondensasi uap sebagai medium

pemanas, merambat melalui permukaan pemanasan untuk menguapkan pelarut dan

memisahkannya dari larutan yang mendidih. Sehingga kesetimbangan panas terjadi

disusun untuk proses kondensasi uap di dalam tabung-tabung penukar panas dan untuk

memanaskan lapisan larutan pada dinding luar penukar panas, proses penguapan pelarut

dan menaikkan temperatur uap pelarut. Sebenarnya di dalam kolom evaporator juga akan

terjadi kontak antara uapm pelarut pada temperaturnya dengan larutan yang diumpankan

dan membasahi dinding sebelah dalam kolom, sehingga terjadi perpindahan panas dan

massa serta ada panas yang dipindahkan dari bagian dalam dinding ke bagian luar dinding

luar kolom ke lingkungan yaitu berupa panas yang hilang.

Karena proses perpindahan panas dan massa yang terjadi di dalam kolom adalah

faktor minor dan dapat diabaikan maka tinggal kehilangan panas ke lingkungan dari sistem

yang diamati yang diperhatikan.

Maka secara umum dapat dituliskan neraca panas yang terjadi dalam system

sebagai berikut :

Qsi = Qse + Qe + QL

yang diturunkan dari perkiraan bahwa jumlah panas yang diberikan oleh medium

pemanas dari penular panas digunakan untuk memanaskan seluruh larutan hingga

titik didihnya dan untuk memanaskan sejumlah pelarut dalam bentuk uapnya dan

panas total yang hilang ke lingkungan.

Jumlah panas yang diberikan uap dalam hal ini, Q adalah seluruh panas yang

sudah berada di dalam sistem, yang berbeda atau lebih rendah dari jumlah total panas yang

dihasilkan oleh ketel uap sehingga panas yang hilang selama dalam aliran menuju ke

sistem diabaikan. Maka jumlah panas yang diberikan ke sistem adalah:

Qst = Mst . λ st

Dimana jumlah massa uap Mst adalah sejumlah massa kondensatnya M dan λ st adalah

kalor laten kondensasi pada tekanan uap dalam sistem.

Mempertimbangkan panas yang hilang dalam proses kondensasi , QL yang tidak

dapat diabaikan, maka persamaan yang lebih lengkap adalah:

Qst = Mst . λ st - QL

Pada seksi yang di dalam kolom, panas yang dipancarkan dari dinding bagian luar

penukar panas hasil dari kondensasi uap di atas diambil oleh sistem dengan 2 cara:

1. Panas pendidihan, Qse dan

2. Panas penguapan, Qe

Qse adalah jumlah panas yang diperlukan oleh sejumlah volume larutan yang

berupa selaput tipis (film) yang membasahi dinding-dinding tabung penukar panas sampai

titik didihnya. Pada tahap ini panas yang hilang hanya terjadi pada awal proses dan

selanjutnya dikompensasi oleh uap yang terbentuk sehingga kehilangan panas sangat kecil

dan diabaikan. Sehingga persamaan untuk jumlah panas Qse adalah:

Qse = (Md + Mp).Cpair . ΔT

Dimana Md dan Mp adalah jumlah massa larutan umpan M yang dihasilkan berupa larutan

pekat dan larutan pelarutnya dan adalah jenis larutan di dalam evaporator.

Maka koefisien perpindahan panas keseluruhan proses dapat dihitung dengan

persamaan:

Qse = Use . Ase . Δ LMTD

Dimana ΔT adalah beda temperatur rata-rata logaritmik. Harga ini bergantung

pada besar beda temperatur pada saat pengumpanan dan beda temperatur pada saat

evaporasi mulai. Juga tergantung pada system pengaliran yaitu aliran searah atau

berlawanan arah.

Qe adalah panas yang dipindahkan oleh sistem untuk proses penguapan sejumlah

pelarut dimana massa uap pelarut dapat diketahui secara tidak langsung dari distilat hasil

kondensasinya, jadi:

Qe = Me . λ e

Dimana Me massa terevaporasi dianggap sama dengan Md massa destilat, massa

uap pelarut yang terkondensasi. Penganggapan ini dilakukan karena dalam proses

sebenarnya terjadi kehilangan massa baik pada perjalanan uap tersebut menuju ke

kondensator atau pada proses kondensasi itu antara lain adanya bagian uap ataupun bentuk

cairnya yang menempel pada dinding-dinding kondensator. Karena itu neraca massa harus

dibuat untuk menghitung jumlah keseluruhan massa yang hilang M:

Mumpan = Mp + Md + ML

Pada proses diatas maka koefisien perpindahan panasnya U, dihitung dengan

persamaan

Q = U. Ae . ΔT

Sehingga untuk koefisien perpindahan panas total dari evaporator itu dapat diambil harga

rata-rata dari Use dan Ua.

c. Determinasi Koefisien Film

Jika pada suatu alat penukar panas diketahui dan diukur secara tepat beda seluruh

temperatur, luas permukaan pertukaran panas dan jumlah panas yang ditukarkan maka

harga koefisisen seluruh perpindahan panas U dapat ditentukan dengan persamaan

sederhana, Q = U.A.ΔT. Penentuan harga masing-masing koefisien perpindahan panas

suatu film (selaput tipis cairan, lapisan yang sangat tipis yang menempel pada suatu

permukaan) akan tetapi, telah dibuktikan tidak mudah dicapai bahkan untuk hal yang

paling sederhana.

Sehingga pada umumnya dalam merancang suatu peralatan didasarkan pada harga

praktikal U dari pada suatu seri harga-harga koefisien untuk film-film yang berpengaruh di

dalamnya.

Untuk suatu kasus penting dari pada perpindahan atau pertukaran panas dari suatu

cairan/fluida ke cairan/fluida yang lain melalui suatu bidang terdiri dari bahan logam

penghantar panas, dua metode telah dikembangkan untuk mengukur harga-harga koefisien

film.

a) Metode Pertama

Memerlukan pengetahuan berapa beda temperatur melintas masing-masing

film dan oleh karena itu melibatkan pengukuran masing-masing temperatur kedua

cairan atau fluida tersebut dan juga permukaan pemisahan pada bahan logam tersebut.

Pada sistem penukar panas pipa konsentrik hal ini sulit dilaksanakan karena

kesulitan memasang alat pengukur ‘thermocouple’ ke dalam pipa yang tipis dan untuk

menghindari kawat-kawat termocouple berinterferensi dengan aliran fluida. Meskipun

demikian metode ini tetap dipakai khususnya jika memakai alat pemanas listrik.

Perlu diketahui bahwa jika fluks panas sangat tinggi, seperti pada cairan yang

mendidih, akan terjadi penurunan temperatur yang cukup besar melintas dinding pipa

sehingga penempatan thermocouple sangat berpengaruh dan penting. Oleh sebab itu

pekerjaan dengan memakai baja tahan karat (stainless stell) dengan konduktivitas

panasnya yang sangat kecil sangat sulit.

b) Metode kedua

Menggunakan teknik yang diterapkan oleh Wilson yang diperkenalkannya di

dalam jurnal Am.Soc.Mech.Eng. nomor edisi 37 tahun 1915 dalam dasar rasional

perancangan alat penukar panas. Misalkan uap panas yang akan dikondensasi pada

bagian luar suatu pipa dimana air pendingin dialirkan pada kecepatan yang berbeda-

beda; sehingga hubungan antara koefisien seluruh perpindahan panas dan koefisien

perpindahan panas film bagian luar dan dalam dapat dituliskan sebagai persamaan:

1/U = 1/hw + Xw/Kw + R1 + 1/h1

Dimana luas permukaan pertukaran panas bagian luar dan dalam dianggap sama untuk

pipa yang tipis.

Pada aliran turbulen koefisien perpindahan pada sisi air pendingin h1 = ε.u 0,8,

Ri adalah konstanta resistansi, dan ho adalah koefisien kondensat yang tidak tergantung

pada kecepatan air. Sehingga persamaaan di atas dapat disederhanakan menjadi:

1/U = (konstan) + 1/ε.u 0,8

Maka persamaan ini dapat diselesaikan secara grafik dan jika ditarik suatu kurva 1/U

melawan 1/u0,8 akan didapatkan suatu garis lurus dengan gradien 1/a dan titik

perpotongan pada sumbu tegaknya adalah harga konstanta, a adalah harga koefisien

film h untuk unit kecepatan air. Untuk pipa bersih harga R harus sehingga harga ho

dapat dihitung dari harga konstanta. Dengan teknik ini Rhodes dan Younger telah

mendapatkan harga ho untuk kondensasi beberapa uap organik. Pratt juga telah

menetapkan harga koefisien film bagian dalam hi untuk pipa penukar panas dengan koil

pemanas dan koefisien untuk annulus oleh Coulson dan Matha.

Jika harga-harga dari hasil tersebut diulangi terus-menerus, harga R, dapat

ditentukan dengan metode ini.

Beberapa harga resistansi thermal dan koefisien perpindahan panas individual

dan seluruh untuk baja tahan karat (stainless steel) dan beberapa jenis fluida ditabelkan

seperti pada tabel 1

Tabel 1 : Resistansi Thermal Pipa-Pipa Penukar Panas Baja Tahan Karat

Gauge (BWG) Tebal (in) Xw/Kw (ft2h oF /Btu)

18 0.049 0.00047

16 0.065 0.00062

14 0.083 0.00080

12 0.109 0.00100

(mm) Xw/Kw (m2K/KW)

18 1,24 0,083

16 1,65 0,109

14 2.10 0.141

12 2.77 0.176

DAFTAR PUSTAKA

Petunjuk Praktikum Pilot Plant. Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Ujung Pandang.

Mc. Cabe. W. L, terjemahan E. Jasifi, Msc. “Operasi Teknik Kimia”, Jilid 2. 1989, Erlangga.

http://www.scribd.com/doc/99960095/Falling-Film-Evaporator

http://www.angelfire.com/ak5/process_control/evaporator.html

http://putih-chemist.blogspot.com/2012/10/laporan-praktikum-evaporasi.html

http://www.slideshare.net/gayuhkinanthi/evaporator-just-a-simple-explanation-lets-s