evaporator libre
DESCRIPTION
BAB IIDESKRIPSI PROSES2.1. SorbitolSorbitol (C6H14O6) pertama kali ditemukan pada tahun 1872 dan mulai diproduksi dari hidrogenasi glukosa (C6H12O6) pada tahun 1930. Secara alami sorbitol juga dapat dihasilkan dari berbagai jenis buah. Sorbitol dinyatakan GRAS (Generally Recognized As Safe) atau secara umum dikenal sebagai produk yang aman oleh U.S. Food and Drug Administration dan disetujui penggunaannya oleh Uni Eropa serta banyak negara di seluruh dunia. Mencakup Australia, Austria, Kanada dan Jepang (Suara merdeka, 2008). Produksi sorbitol lokal selain untuk pemasaran dalam negeri juga sebagian besar untuk diekspor. Ekspor sorbitol sejak tahun 1989 hingga tahun 1992 cenderung mengalami penurunan, hal ini diakibatkan semakin meningkatnya permintaan dalam negeri. Sorbitol atau dikenal juga hexitol dengan rumus kimia C6H14O6. (perry, 1999)Gambar 2.1 Struktur Kima Sorbitol Sorbitol adalah senyawa monosakarida polyhidric alcohol. Nama kimia lain dari sorbitol adalah hexitol atau glusitol dengan rumus kimia C6H14O6. Struktur molekulnya mirip dengan struktur molekul glukosa hanya yang berbeda gugus aldehid pada glukosa diganti menjadi gugus alkohol. Zat ini berupa bubuk kristal berwarna putih yang higroskopis, tidak berbau dan berasa manis, sorbitol larut dalam air, gliserol, propylene glycol, serta sedikit larut dalam metanol, etanol, asam asetat, phenol dan acetamida. Namun tidak larut hampir dalam semua pelarut organik. Sorbitol dapat dibuat dari glukosa dengan proses hidrogenasi katalitik bertekanan tinggi. Sorbitol umumnya digunakan sebagai bahan baku industri barang konsumsi dan makanan seperti pasta gigi, permen, kosmetik, farmasi, vitamin C, dan termasuk industri textil dan kulit (Othmer, 1960). 2.2. Sirup GlukosaSirup glukosa adalah produk yang dibuat dengan cara hidrolisis parsial dari pati. Sirup glukosa yang mempunyai rasa manis dan tidak berwarna ini terdiri dari glukosa, dekstrin, maltosa dan air. Sirup glukosa didefinisikan sebagai cairan jernih dan kental yang komponen utamanya adalah glukosa yang diperoleh dari hidrolisa pati. Bahan baku pembuatan sirup glukosa dapat digunakan bermacam-macam sumber karbohidrat seperti ubi kayu, ubi jalar, sagu, jagung, kimpul dan sebagainya. Rumus kimia dari glukosa adalah C6H12O6. Sirup glukosa atau sering juga disebut gula cair mengandung D-glukosa, maltosa, dan polimer D-glukosa yang dibuat melalui proses hidrolisis. Tahapan pembuatan sirup glukosa dengan cara hidrolisis menggunakan enzim terdiri dari gelatinisasi, likuifikasi, sakarifikasi, purifikasi, dan evaporasi. Tingkat mutu sirup glukosa yang dihasilkan ditentukan oleh warna sirup, kadar air, dan tingkat konversi pati menjadi komponen-komponen glukosa, maltosa, dan dekstrin, yang dihitung sebagai ekuivalen dekstrosa (DE).Tabel 2.1 Komposisi sirup glukosa adalah sebagai berikut :Komponen Spesifikasi Glukosa 50%Maltosa 2%Air 47,9%Dekstrin 0,03%Sumber: SII 0418-81TRANSCRIPT
PENGURANGAN KADAR AIR
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.
Evaorasi 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:
• Memproses cairan encer sampai menjadi cairan pekat (untuk industri susu sampai
kadar padatan sekitar 50%)
pengendapan karena larutan terlalu pekat.
• Kebutuhan panas untuk penguapan air relatif Iebih sedikit.
berikutnya digunakan drye
Padatan dalam susu encer =
Padatan dalam susu pekat =
100 ×
dryer.
Maka biaya penguapan 1 kg
Biaya total = 800 x Rp. y + 95
Biaya total jika hanya mengg
= Rp. 8055 y, atau kira-kira 5
kadar air padatan sangat rendah dan produk b
ses balk cairan maupun padatan.
esar; biaya penguapan air dengan diyerkira-k
ngan evaporator.
nguapannya) sampai dihasilkan larutan pe
r (yang Iebih mahal biaya penguapann
tuk menghemat biaya operasi, perlu diusah
si) sebanyak mungkin air diuapkan.
ikan penghematan biaya yang bisa diperoleh
rutan susu encer
kg020kg100 50
kg1050 =kg
teruapkan = (800+95) kg = 895 kg.
apkan dalam evaporator kurang Iebih 8x diba
pada evaporator = Rp. y,
x Rp. 9 y = Rp. 1655 y,-
nakan diyeruntuk menguapkan 895 kg air = 89
x Iebih mahal!
Universitas Gadjah Mada
Perlu diperhatikan bahwa hitungan neraca massa pada proses penguapan air akan
menjadi sangat mudah jira berbasis pada jumlah padatan yang praktis tidak berubah.
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:
log(P°)= t C
+ −
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 Iarutannya. Beda antara titik didih larutan dengan titik didih
pelarut murninya disebut kenaikkan titik didih (boillng point rise). Gambar dibawah
merupakan contoh kurva titik didih larutan NaOH dalam air.
(a) Transfer panas
rendah dan 1 atm (tekanan vakum). Pada in
enguapan pada suhu lebih rendah, yaitu:
su, dan
a)
keseluruhan proses. Penguapan cairan pada evaporator ukuran standar sudah
dirancang oleh manufacturer sedemikian rupa sehingga untukjumlah penguapan dalam
evaporator tersebut, pemisahan uap-cairan sudah bisa berjalan dengan balk. 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 (naturalconvection) dimana gerak fluida
diakibatkan oleh beda suhu, maka koefisien transfer panas dipengaruhi oleh beda
suhu (t). Semakin besar t , semakin tinggi nilal koefisien transfer panas.
4. Gerakan yang balk dan 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 tinggm), maka
suhu evaporasm dmusahakan 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, misal: panas
penguapan air ~ 540 cal/g), sehingga usaha-usaha penghematan panas perlu
dilakukan. Salah satu caranya adalah dengan memanfaatkan uap yang timbul
sebagai pemanas evaporator.
evaporator serta beberapa ke
1. Horizontal Tube Evapor
Alat ini merupakan evap
lebihan dan kekurangan masing-masing.
eperluan-keperluan kecil dengan teknologi sed
ndah yang menjadikan perpindahan panas tid
i diluar pipa, sehingga sulit untuk dibersihkan.
demikian rupa sehingga bundel pipa bisa
bisa berjalan dengan baik sehingga koefisi
i alami (natural convection) besar, menjadik
Sirkulasi aliran terjadi secara alami (natural
rapat massa yang diakibatkan oleh adanya
rada diluar pipa dengan cairan yang ada di
a berbagal
porator ini
dalam shell. Cairan dala
an.
m tabung mendidih, uap yang timbul berge
. Sirkulasi aliran dalam pipa terjadi karena
na perbedaan fasa antara fluida dalam p
n yang diluar pipa (cair). Diatas pipa terdapat
misahkan cairan dengan uap. Uap akan men
gkan cairan jatuh kebawah melewati saluran
kembali bersirkulasi masuk pipa-pipa. Konv
lan baik sehingga transfer panas Iebih efisien.
ngga Iebih
ah untuk
s mengalir
susu, juice dan berbagai
Untuk memperbesar k
perpindahan panas maki
Aliran cairan, setelah
terbentuk, kembali kebaw
Keuntungan: Koefisien tr
airy product.
n tinggi, pipa-pipa transfer panas dibuat lebi
asuk ruang uap untuk dipisahkan dengan
h melalui pipa diluar evaporator.’
ansfer panas karena sirkulasi alami (natural
sfer panas bisa lebih efisien.
guap setiap passsangat besar (karena pip
al dimulut pipa bagian atas akan sangat tin
tidak homogen, karena adanya perbedaan
n. Adanya
anas. Hal
isa mengganggu sirkulasi aliran.
r with Forced Circulation
nas terjadi karena konveksi paksa (forced
er panas bisa lebih tinggi. Disamping itu, k
nyumbatan-penyumbatan dalam pipa bisa d
tidak terlalu panjang. Sirkulasi berjalan cepat
r lebih homogen. Adanya pompa yang me
uat alat ini lebih mahal (baik biaya pembeli
bentukan
evaporator adalah contoh
Iebih sulit, sehingga diperlukan baffle,yang Iebi
besar dibagian atas.
lain dan forced circulation vertical tube evapor
uap-cairan
e, seluruh pipa pemanas tercelup dalam cair
lam bejana pemisah uap-cair kemudian mengal
a boifing tube type, tidak seluruh pipa peman
an angsung masuk kebagian bawah seksi pem
orator with External Heater
ndapatkan alat ini, bias digunakan alat-alat
n alat ini seperti pada verticaltube evaporator
bih murah dan fleksibel karena bisa dirang
tuhkan ruang yang Iebih luas (kurang kompak)
evaporator diatas adalah
h. Seperti forced circulation evaporator deng
ngkai sendiri, tetapi kurang kompak. Nama lai
ising Film Evaporator with external heater.
tor, cairan mengalir kebawah membentuk film
disebabkan oleh gaya berat dan gesekan uap
ah. Meskipun t kecil, tetapi aliran tetap b
andingkan dengan natural convection evapor
jauh Iebih besar dibandingkan dengan volu
ini memungkinkan transfer panas yang c
banyak terjadi karena waktu tinggal yang ke
ecil). Kapasitas alat ini tidak bisa divariasi ter
ntang alat ini ada pada sub-bab berikutnya.
lllng film maupun rising film evaporatordapat
t pemanas
n external
dan jenis
bu tabung terdapat batang yang dapat dip
irip. Pada verticalagftatedfllm evaporator, s
kebawah akan terlempar ketepi tabung (bagi
n ditepi tabung akan terpental kembali keteng
disediakan ruang untuk pemisahan uap caira
roduksi padatan. Meskipun demikian, alat
ya operasinya tinggi (karena perlu tenaga pen
Koefisien transfer panas
untuk pembakaran. Eva
bahkan sluriy. Pemakalan
11. Stirred, Discontinuous
sangat besar. Ruang didalam tabung ditenga
orator ini digunakan untuk cairan yang san
panas kembali sulit dilakukan.
ll (external heating) (sumber: Sattler and Fei
sses).
berfungsi
tated film evaporator. Pada industri susu (a
sitive terhadap panas), banyak digunakan
g akan dibahas secara khusus tentang f
ORATOR
ng disyaratkan (throughput requirea)
kenaikkan viskositas selama penguapan
duk terhadap panas
menimbulkan busa (foaming)
dan suhu tinggi, misalnya:
Pada falllng film evapor
berikan pedoman pemilihan evaporator
ume .6).
ah. Steam pemanas mengalir dalam shell/
ntuk evaporasi bahan-bahan yang snsitif terha
: susu.
besar. Artinya, perbandingan luas transfer
porator sangat tinggi. Luas transfer panas y
uk perpindahan panas yang besar, sedangk
yang kecil berarti waktu tinggal cairan dalam
bahan dapat diminimalkan.
Bandingkan misalnya:
a. Pipa dengan ID = 2 cm, panjang 300 cm, penuh cairan.
Luas permukaan pipa = n.(ID).L = n (2)(300) = 600 n cm 2
Volum cairan dalam pipa = (n/4).(1D2).L = (n/4)(22)(300) = 300 n cm3.
Perbandingan (luas/volume) = (600 n)/(300 n) = 2/cm
b. Pipa dengan ID = 2 cm, panjang 300 cm, tebal film = 0,2 cm.
Luas permukaan pipa = n.(ID).L = n (2)(300) = 600 n cm 2
Volum n.(ID).L x 0,2 = n(2)(300)(0,2) = 120 n cm3
Perbandingan (luas/volume) = (600 n)/(120 n) = 5/cm.
Evaporator masa kini umumnya harus bekerja dengan beda suhu pemanas dan
cairan (t) yang kecil, dalam rangka memaksimumkan pemakaian kembali panas
yang dibawa oleh uap yang terbentuk. Nilai t yang kecil ini mengakibatkan
konveksi alamiah (natural convection) tidak berjalan baik (ingat: nilai koefisien
transfer panas pada konveksi alamiah tergantung t). Sehingga evaporator yang
bekerja berdasarkan konveksi alamiah tidak cocok digunakan. Dengan falling film
evaporator, meskipun t kecil, gerak cairan tetap balk karena adanya gaya berat,
sehingga nilai koefisien transfer panasnya tetap tinggi, meskipun t-nya kecil. Perlu
diperhatikan bahwa evaporator jenis forced convection kurang cocok untuk larutan
susu, karena: (a). akan memerlukan biaya pemompaan, dan (b). sirkulasi aliran
akan terlalu banyak sehingga kemungkinan ada cairan yang tinggal terlalu lama
dalam evaporator, yang dapat menyebabkan kerusakan susu. Pada falllng film
evaporator, tidak ada sirkulasi cairan.
Beda suhu, t, yang kecil akan mengakibatkan luas transfer panas yang diperlukan
menjadi besar, sesuai dengan persamaan:
t U
Q A
p pipa akan terlalu sedikit. Hal mi mengaki
yang tidak tertutup cairan, atau tertutup cair
kibat kecepatan penguapan yang besar, da
pipa (susu menjadi rusak) dan pada akhir
di, penambahan luas permukaan sebaiknya
pipa, bukan dengan menambah jumlah pipa.
tor dapat mencapal 15 m, dengan t 2°C.
pipa evaporator hanya sekitar 3 atau 4
yang lewat pipa tidak boleh terlalu kecil, mak
ator tidak boleh diubah/dikurangi terlalu banyak
fleksibel terhadap perubahan kapasitas opera
purnaan pembasahan dinding pipa oleh cair
ngan coverage coefficient, sebagai berikut:
us beroperasi pada level coverage coefficient t
coverage coefficient pada tingkat tertentu p
an sistem sirkulasi, dimana sebagian produk y
kan kembali kebagian atas tabung. Dengan
ewati pipa cukup besar. Sisi negatifnya a
engalami sirkulasi berkali-kali sehingga kem
manasan dan akan rusak.
• Sistim dinamis
• Sistim statis
penyemburan akan makin
membagi evaporator menja
pada separuh evaporator
coverage coeffident mencuk
seksi dua.
yang berkali-kali mengalam
saja.
enyemburan oleh nozzle ini didorong oleh pre
dipengaruhi oleh jumlah cairan yang lewat.
akin banyak, pressure drop akan makin besar
baik.
u dengan
pemanas sekaligus mem
(preheating). Preheater y
apat membantu distribusi aliran.
at flashing. Cairan masuk ke plat distributor di
diatas plat distributor dijaga pada level terte
lubang pada plat dan tepat jatuh diatas bida
rdistribusi pada pipa-pipa. Pada saat yang
il tepat diatas tabung pemanas. Uap yang k
dorong cairan cairan menempel pada dindi
erikan kecepatan awal.
i naik akibat kenaikkan jumlah cairan masuk,
a akan bertambah cepat sehingga mencegah
n pula jika kapasitas turun.
susu, jika susu yang akan diproses bersuhu
k flashing
evaporator, meskipun panas disuplai dan
han lebih mudah, tetapi karena pressure dro
energi untuk pemompaan yang lebih besar.
tor, dan biasanya dipakai sebagai preheater
nas dari embunan dari evaporator terakhir.
I PADA SISTIM EVAPORASI
or recompression).
asing beroperasi pada tekanan yang berbed
h dan evaporator tiga efek (triple-effect evapor
nas pada
Universitas Gadjah Mada
Tekanan pada evaporator I (P-I)> P-Il> P-Ill, sehingga suhu evaporasi pada
evaporator 1(TI) > TII > TIII. Koneksi dibuat pada vapor line, dimana uap yang
dihasilkan dan evaporator sebelumnya digunakan sebagai pemanas evaporator
berikutnya. Uap dari evaporator I (besuhu TI pada P-I) praktis dalam keadaan lewat
jenuh pada tekanan P-Il. Steam segar (fresh steam) hanya dimasukkan pada efek
pertama (evaporator-I), dimana tekanannya pahng tinggi.
Pada efek terakhir, vapor line dihubungkan dengan sistim vakum, yang bisa berupa
condenserdengan pompa vakum atau jet ejector(pada gambar diatas digunakan jet
ejector).
Untuk penguapan sampai konsentrasi yang sama dengan kadar umpan yang
sama, penggunaan tri/e effect evaporator, dapat menghemat steam sampal 2/3-nya
dibandingkan jika digunakan evaporator tunggal. (Catatan: Kebutuhan steam pada
triole effect evaporator 1/3 x kebutuhan steam untuk evaporator tunggal).
Keuntungan dan kerugian penggunaan muItiIe effect evaporatot
Keuntungan: biaya operasi lebih murah (penghematan steam).
Kerugian:
• Biaya investasi lebih tinggi (karena perlu membeli lebih banyak evaporator dan
sistim pemvakumannya, pompa dan lain-lain)
• Operasi dan pengendaliannya lebih sulit.
Berdasarkan cara pengumpanannya, ada beberapa jenis susunan mu/ti;o/e-effect
evaporator, diantaranya:
• Forward feeo’ Steam pemanas masuk efek-1. Umpan (larutan encer) juga
masuk ke efek-1. Hasil efek pertama diumpankan ke efek-2 dan seterusnya.
Uap dan efek1 digunakan sebagai pemanas di efek-2, dan seterusnya. Pompa
hanya perlu digunakan untuk mengalirkan umpan ke efek-1, dan mengeluarkan
larutan pekat dan efek terakhir.
• Backward feed. Umpan masuk ke efek terakhir, selanjutnya larutan hasH efek
terakhir dialirkan ke efek sebelumnya dan seterusnya. Pada akhirnya, produk
(yaitu: larutan pekat) dikeluarkan dan efek pertama. Steam pemanas masuk ke
encer (umpan) masuk ke efek-intermediate
ard ke efek benikutnya sampai efek terakhir.
linkan balik ke efek sebelum umpan d
mpai ke efek pertama. Sistim ini dapat
tapi masih menguntungkan karena larutan p
dimana suhunya paling tinggi.
Steam hanya digunakan pada efek-1. Uap h
manas efek-2 dan seterusnya.
< P2 dan
Rekompresi uap di
steam tekanan tin
nya akan naik dan bisa digunakan sebagai
ua cara rekompresi uap, yaitu:
compression (TVR):
ggi yang dialirkan dalam sebuah jet eject
li.
n mudah perawatannya.
an jet rendah
kat.
inkan), sehingga suhu uap akan naik melebihi
porator. Uap kemudian digunakan semabagi
AT VAKUM
bih tinggi. Tidak memerlukan motive fluid
merlukan energi listrik. Jika harga energi lis
gunakan jet ejector.
e fluid-nya, ada dua jenis jetejector, yaitu: (1).
dalam sistim evaporasi bertingkat/multistage
air.
gi sebanyak-banyaknya dengan cara mengem
2 jenis condenser yang sering digunakan, yait
a investasi dan konsumsi air pendingin rend
aripada suiface condenser).
tower dan mengakibatkan kontaminasi.
nis pompa
asuk alat
(shell and tubes).
estasi besar dan kebutuhan air pendingin lebi
dan jet ejector. Pada (a) digunakan steam j
igunakan water jet ejector. Perhatikan bahw
enjadi satu dengan barometric condenser.
idalamnya
banyak.
ggunakan
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.
Evaorasi 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:
• Memproses cairan encer sampai menjadi cairan pekat (untuk industri susu sampai
kadar padatan sekitar 50%)
pengendapan karena larutan terlalu pekat.
• Kebutuhan panas untuk penguapan air relatif Iebih sedikit.
berikutnya digunakan drye
Padatan dalam susu encer =
Padatan dalam susu pekat =
100 ×
dryer.
Maka biaya penguapan 1 kg
Biaya total = 800 x Rp. y + 95
Biaya total jika hanya mengg
= Rp. 8055 y, atau kira-kira 5
kadar air padatan sangat rendah dan produk b
ses balk cairan maupun padatan.
esar; biaya penguapan air dengan diyerkira-k
ngan evaporator.
nguapannya) sampai dihasilkan larutan pe
r (yang Iebih mahal biaya penguapann
tuk menghemat biaya operasi, perlu diusah
si) sebanyak mungkin air diuapkan.
ikan penghematan biaya yang bisa diperoleh
rutan susu encer
kg020kg100 50
kg1050 =kg
teruapkan = (800+95) kg = 895 kg.
apkan dalam evaporator kurang Iebih 8x diba
pada evaporator = Rp. y,
x Rp. 9 y = Rp. 1655 y,-
nakan diyeruntuk menguapkan 895 kg air = 89
x Iebih mahal!
Universitas Gadjah Mada
Perlu diperhatikan bahwa hitungan neraca massa pada proses penguapan air akan
menjadi sangat mudah jira berbasis pada jumlah padatan yang praktis tidak berubah.
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:
log(P°)= t C
+ −
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 Iarutannya. Beda antara titik didih larutan dengan titik didih
pelarut murninya disebut kenaikkan titik didih (boillng point rise). Gambar dibawah
merupakan contoh kurva titik didih larutan NaOH dalam air.
(a) Transfer panas
rendah dan 1 atm (tekanan vakum). Pada in
enguapan pada suhu lebih rendah, yaitu:
su, dan
a)
keseluruhan proses. Penguapan cairan pada evaporator ukuran standar sudah
dirancang oleh manufacturer sedemikian rupa sehingga untukjumlah penguapan dalam
evaporator tersebut, pemisahan uap-cairan sudah bisa berjalan dengan balk. 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 (naturalconvection) dimana gerak fluida
diakibatkan oleh beda suhu, maka koefisien transfer panas dipengaruhi oleh beda
suhu (t). Semakin besar t , semakin tinggi nilal koefisien transfer panas.
4. Gerakan yang balk dan 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 tinggm), maka
suhu evaporasm dmusahakan 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, misal: panas
penguapan air ~ 540 cal/g), sehingga usaha-usaha penghematan panas perlu
dilakukan. Salah satu caranya adalah dengan memanfaatkan uap yang timbul
sebagai pemanas evaporator.
evaporator serta beberapa ke
1. Horizontal Tube Evapor
Alat ini merupakan evap
lebihan dan kekurangan masing-masing.
eperluan-keperluan kecil dengan teknologi sed
ndah yang menjadikan perpindahan panas tid
i diluar pipa, sehingga sulit untuk dibersihkan.
demikian rupa sehingga bundel pipa bisa
bisa berjalan dengan baik sehingga koefisi
i alami (natural convection) besar, menjadik
Sirkulasi aliran terjadi secara alami (natural
rapat massa yang diakibatkan oleh adanya
rada diluar pipa dengan cairan yang ada di
a berbagal
porator ini
dalam shell. Cairan dala
an.
m tabung mendidih, uap yang timbul berge
. Sirkulasi aliran dalam pipa terjadi karena
na perbedaan fasa antara fluida dalam p
n yang diluar pipa (cair). Diatas pipa terdapat
misahkan cairan dengan uap. Uap akan men
gkan cairan jatuh kebawah melewati saluran
kembali bersirkulasi masuk pipa-pipa. Konv
lan baik sehingga transfer panas Iebih efisien.
ngga Iebih
ah untuk
s mengalir
susu, juice dan berbagai
Untuk memperbesar k
perpindahan panas maki
Aliran cairan, setelah
terbentuk, kembali kebaw
Keuntungan: Koefisien tr
airy product.
n tinggi, pipa-pipa transfer panas dibuat lebi
asuk ruang uap untuk dipisahkan dengan
h melalui pipa diluar evaporator.’
ansfer panas karena sirkulasi alami (natural
sfer panas bisa lebih efisien.
guap setiap passsangat besar (karena pip
al dimulut pipa bagian atas akan sangat tin
tidak homogen, karena adanya perbedaan
n. Adanya
anas. Hal
isa mengganggu sirkulasi aliran.
r with Forced Circulation
nas terjadi karena konveksi paksa (forced
er panas bisa lebih tinggi. Disamping itu, k
nyumbatan-penyumbatan dalam pipa bisa d
tidak terlalu panjang. Sirkulasi berjalan cepat
r lebih homogen. Adanya pompa yang me
uat alat ini lebih mahal (baik biaya pembeli
bentukan
evaporator adalah contoh
Iebih sulit, sehingga diperlukan baffle,yang Iebi
besar dibagian atas.
lain dan forced circulation vertical tube evapor
uap-cairan
e, seluruh pipa pemanas tercelup dalam cair
lam bejana pemisah uap-cair kemudian mengal
a boifing tube type, tidak seluruh pipa peman
an angsung masuk kebagian bawah seksi pem
orator with External Heater
ndapatkan alat ini, bias digunakan alat-alat
n alat ini seperti pada verticaltube evaporator
bih murah dan fleksibel karena bisa dirang
tuhkan ruang yang Iebih luas (kurang kompak)
evaporator diatas adalah
h. Seperti forced circulation evaporator deng
ngkai sendiri, tetapi kurang kompak. Nama lai
ising Film Evaporator with external heater.
tor, cairan mengalir kebawah membentuk film
disebabkan oleh gaya berat dan gesekan uap
ah. Meskipun t kecil, tetapi aliran tetap b
andingkan dengan natural convection evapor
jauh Iebih besar dibandingkan dengan volu
ini memungkinkan transfer panas yang c
banyak terjadi karena waktu tinggal yang ke
ecil). Kapasitas alat ini tidak bisa divariasi ter
ntang alat ini ada pada sub-bab berikutnya.
lllng film maupun rising film evaporatordapat
t pemanas
n external
dan jenis
bu tabung terdapat batang yang dapat dip
irip. Pada verticalagftatedfllm evaporator, s
kebawah akan terlempar ketepi tabung (bagi
n ditepi tabung akan terpental kembali keteng
disediakan ruang untuk pemisahan uap caira
roduksi padatan. Meskipun demikian, alat
ya operasinya tinggi (karena perlu tenaga pen
Koefisien transfer panas
untuk pembakaran. Eva
bahkan sluriy. Pemakalan
11. Stirred, Discontinuous
sangat besar. Ruang didalam tabung ditenga
orator ini digunakan untuk cairan yang san
panas kembali sulit dilakukan.
ll (external heating) (sumber: Sattler and Fei
sses).
berfungsi
tated film evaporator. Pada industri susu (a
sitive terhadap panas), banyak digunakan
g akan dibahas secara khusus tentang f
ORATOR
ng disyaratkan (throughput requirea)
kenaikkan viskositas selama penguapan
duk terhadap panas
menimbulkan busa (foaming)
dan suhu tinggi, misalnya:
Pada falllng film evapor
berikan pedoman pemilihan evaporator
ume .6).
ah. Steam pemanas mengalir dalam shell/
ntuk evaporasi bahan-bahan yang snsitif terha
: susu.
besar. Artinya, perbandingan luas transfer
porator sangat tinggi. Luas transfer panas y
uk perpindahan panas yang besar, sedangk
yang kecil berarti waktu tinggal cairan dalam
bahan dapat diminimalkan.
Bandingkan misalnya:
a. Pipa dengan ID = 2 cm, panjang 300 cm, penuh cairan.
Luas permukaan pipa = n.(ID).L = n (2)(300) = 600 n cm 2
Volum cairan dalam pipa = (n/4).(1D2).L = (n/4)(22)(300) = 300 n cm3.
Perbandingan (luas/volume) = (600 n)/(300 n) = 2/cm
b. Pipa dengan ID = 2 cm, panjang 300 cm, tebal film = 0,2 cm.
Luas permukaan pipa = n.(ID).L = n (2)(300) = 600 n cm 2
Volum n.(ID).L x 0,2 = n(2)(300)(0,2) = 120 n cm3
Perbandingan (luas/volume) = (600 n)/(120 n) = 5/cm.
Evaporator masa kini umumnya harus bekerja dengan beda suhu pemanas dan
cairan (t) yang kecil, dalam rangka memaksimumkan pemakaian kembali panas
yang dibawa oleh uap yang terbentuk. Nilai t yang kecil ini mengakibatkan
konveksi alamiah (natural convection) tidak berjalan baik (ingat: nilai koefisien
transfer panas pada konveksi alamiah tergantung t). Sehingga evaporator yang
bekerja berdasarkan konveksi alamiah tidak cocok digunakan. Dengan falling film
evaporator, meskipun t kecil, gerak cairan tetap balk karena adanya gaya berat,
sehingga nilai koefisien transfer panasnya tetap tinggi, meskipun t-nya kecil. Perlu
diperhatikan bahwa evaporator jenis forced convection kurang cocok untuk larutan
susu, karena: (a). akan memerlukan biaya pemompaan, dan (b). sirkulasi aliran
akan terlalu banyak sehingga kemungkinan ada cairan yang tinggal terlalu lama
dalam evaporator, yang dapat menyebabkan kerusakan susu. Pada falllng film
evaporator, tidak ada sirkulasi cairan.
Beda suhu, t, yang kecil akan mengakibatkan luas transfer panas yang diperlukan
menjadi besar, sesuai dengan persamaan:
t U
Q A
p pipa akan terlalu sedikit. Hal mi mengaki
yang tidak tertutup cairan, atau tertutup cair
kibat kecepatan penguapan yang besar, da
pipa (susu menjadi rusak) dan pada akhir
di, penambahan luas permukaan sebaiknya
pipa, bukan dengan menambah jumlah pipa.
tor dapat mencapal 15 m, dengan t 2°C.
pipa evaporator hanya sekitar 3 atau 4
yang lewat pipa tidak boleh terlalu kecil, mak
ator tidak boleh diubah/dikurangi terlalu banyak
fleksibel terhadap perubahan kapasitas opera
purnaan pembasahan dinding pipa oleh cair
ngan coverage coefficient, sebagai berikut:
us beroperasi pada level coverage coefficient t
coverage coefficient pada tingkat tertentu p
an sistem sirkulasi, dimana sebagian produk y
kan kembali kebagian atas tabung. Dengan
ewati pipa cukup besar. Sisi negatifnya a
engalami sirkulasi berkali-kali sehingga kem
manasan dan akan rusak.
• Sistim dinamis
• Sistim statis
penyemburan akan makin
membagi evaporator menja
pada separuh evaporator
coverage coeffident mencuk
seksi dua.
yang berkali-kali mengalam
saja.
enyemburan oleh nozzle ini didorong oleh pre
dipengaruhi oleh jumlah cairan yang lewat.
akin banyak, pressure drop akan makin besar
baik.
u dengan
pemanas sekaligus mem
(preheating). Preheater y
apat membantu distribusi aliran.
at flashing. Cairan masuk ke plat distributor di
diatas plat distributor dijaga pada level terte
lubang pada plat dan tepat jatuh diatas bida
rdistribusi pada pipa-pipa. Pada saat yang
il tepat diatas tabung pemanas. Uap yang k
dorong cairan cairan menempel pada dindi
erikan kecepatan awal.
i naik akibat kenaikkan jumlah cairan masuk,
a akan bertambah cepat sehingga mencegah
n pula jika kapasitas turun.
susu, jika susu yang akan diproses bersuhu
k flashing
evaporator, meskipun panas disuplai dan
han lebih mudah, tetapi karena pressure dro
energi untuk pemompaan yang lebih besar.
tor, dan biasanya dipakai sebagai preheater
nas dari embunan dari evaporator terakhir.
I PADA SISTIM EVAPORASI
or recompression).
asing beroperasi pada tekanan yang berbed
h dan evaporator tiga efek (triple-effect evapor
nas pada
Universitas Gadjah Mada
Tekanan pada evaporator I (P-I)> P-Il> P-Ill, sehingga suhu evaporasi pada
evaporator 1(TI) > TII > TIII. Koneksi dibuat pada vapor line, dimana uap yang
dihasilkan dan evaporator sebelumnya digunakan sebagai pemanas evaporator
berikutnya. Uap dari evaporator I (besuhu TI pada P-I) praktis dalam keadaan lewat
jenuh pada tekanan P-Il. Steam segar (fresh steam) hanya dimasukkan pada efek
pertama (evaporator-I), dimana tekanannya pahng tinggi.
Pada efek terakhir, vapor line dihubungkan dengan sistim vakum, yang bisa berupa
condenserdengan pompa vakum atau jet ejector(pada gambar diatas digunakan jet
ejector).
Untuk penguapan sampai konsentrasi yang sama dengan kadar umpan yang
sama, penggunaan tri/e effect evaporator, dapat menghemat steam sampal 2/3-nya
dibandingkan jika digunakan evaporator tunggal. (Catatan: Kebutuhan steam pada
triole effect evaporator 1/3 x kebutuhan steam untuk evaporator tunggal).
Keuntungan dan kerugian penggunaan muItiIe effect evaporatot
Keuntungan: biaya operasi lebih murah (penghematan steam).
Kerugian:
• Biaya investasi lebih tinggi (karena perlu membeli lebih banyak evaporator dan
sistim pemvakumannya, pompa dan lain-lain)
• Operasi dan pengendaliannya lebih sulit.
Berdasarkan cara pengumpanannya, ada beberapa jenis susunan mu/ti;o/e-effect
evaporator, diantaranya:
• Forward feeo’ Steam pemanas masuk efek-1. Umpan (larutan encer) juga
masuk ke efek-1. Hasil efek pertama diumpankan ke efek-2 dan seterusnya.
Uap dan efek1 digunakan sebagai pemanas di efek-2, dan seterusnya. Pompa
hanya perlu digunakan untuk mengalirkan umpan ke efek-1, dan mengeluarkan
larutan pekat dan efek terakhir.
• Backward feed. Umpan masuk ke efek terakhir, selanjutnya larutan hasH efek
terakhir dialirkan ke efek sebelumnya dan seterusnya. Pada akhirnya, produk
(yaitu: larutan pekat) dikeluarkan dan efek pertama. Steam pemanas masuk ke
encer (umpan) masuk ke efek-intermediate
ard ke efek benikutnya sampai efek terakhir.
linkan balik ke efek sebelum umpan d
mpai ke efek pertama. Sistim ini dapat
tapi masih menguntungkan karena larutan p
dimana suhunya paling tinggi.
Steam hanya digunakan pada efek-1. Uap h
manas efek-2 dan seterusnya.
< P2 dan
Rekompresi uap di
steam tekanan tin
nya akan naik dan bisa digunakan sebagai
ua cara rekompresi uap, yaitu:
compression (TVR):
ggi yang dialirkan dalam sebuah jet eject
li.
n mudah perawatannya.
an jet rendah
kat.
inkan), sehingga suhu uap akan naik melebihi
porator. Uap kemudian digunakan semabagi
AT VAKUM
bih tinggi. Tidak memerlukan motive fluid
merlukan energi listrik. Jika harga energi lis
gunakan jet ejector.
e fluid-nya, ada dua jenis jetejector, yaitu: (1).
dalam sistim evaporasi bertingkat/multistage
air.
gi sebanyak-banyaknya dengan cara mengem
2 jenis condenser yang sering digunakan, yait
a investasi dan konsumsi air pendingin rend
aripada suiface condenser).
tower dan mengakibatkan kontaminasi.
nis pompa
asuk alat
(shell and tubes).
estasi besar dan kebutuhan air pendingin lebi
dan jet ejector. Pada (a) digunakan steam j
igunakan water jet ejector. Perhatikan bahw
enjadi satu dengan barometric condenser.
idalamnya
banyak.
ggunakan