Bab 4 - Perhitungan Single effect evaporator.pptx

evaporasi

1. 1 TK4552 - EVAPORASI DAN KRISTALISASI Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret 2020 Aida Nur Ramadhani, S.T., M.T. PERHITUNGAN EVAPORATOR SINGLE EFFECT

2. 2 Sub-CPMK 3 : Mahasiswa mampu menerapkan konsep perhitungan evapora tor Ketepatan menganalisis neraca massa dan panas di sekitar evaporator Ketepatan menganalisis apa saja yang menjadi faktor yang mempengaruhi proses evaporasi PERHITUNGAN EVAPORATOR SINGLE EFFECT

3. 3 PERHITUNGAN EVAPORATOR SINGLE EFFECT EVAPORATOR KOEFISIEN TRANSFER PANAS OVERALL

4. 4 Diagram – single effect evaporator feed, F T F , x F , h F . steam, S T S , H S concentrated liquid, L T 1 , x L , h L condensate, S T S , h S vapor , V to condenser T 1 , y V , H V P 1 T 1 heat-exchanger tubes

5. 5 U mpan F ( biasanya encer ) masuk pada suhu T F U ap jenuh masuk pada suhu T S L arutan dalam evaporator diasumsikan tercampur sempurna dan memiliki komposisi yang sama Neraca massa dan panas Persamaan dasar : dengan , = beda suhu antara steam terkondensasi dengan cairan mendidih dalam evaporator (K). q = kerja ( B tu/h)    

6. 6 Menghitung Laju alir fase vapor , V dan fase liquid , L . Luas perpindahan panas , A Koefisien transfer panas overall, U . Fraksi mol solute, x L .

7. 7 Diagram – single effect evaporator Steam, S P S , T S , H S Feed, F x F , T F , h F Condensate, S P S , T S , h S Vapour, V y V , T 1 , H V Concentrate, L x L , T 1 , h L P T 1 Feed: F – mass flow rate x F – mass fraction of solute in feed T F – temperature of feed h F – enthalpy of feed Vapour leaving the evaporator: V – mass flow rate y V – mass fraction of solute in vapour T 1 – temperature of vapour H V – enthalpy of vapour

8. 8 Steam, S P S , T S , H S Feed, F x F , T F , h F Condensate, S P S , T S , h S Vapour, V y V , T 1 , H V Concentrate, L x L , T 1 , h L P T 1 Concentrate leaving the evaporator: L – mass flow rate x L – mass fraction of solute in concentrate T 1 – temperature of concentrate h L – enthalpy of concentrate Steam: S – mass flow rate PS – steam pressure TS – steam temperature HS – enthalpy of steam hS – enthalpy of condensate P – pressure in the evaporator T1 – temperature in the evaporator

9. 9 Neraca Massa Overall material balance: F = L + V Solute balance: F x F = L x L + V y V If the vapour is free of solute : F x F = L x L Steam, S P S , T S , H S Feed, F x F , T F , h F Condensate, S P S , T S , h S Vapour, V y V , T 1 , H V Concentrate, L x L , T 1 , h L P T 1

10. 10 Neraca Panas Maka , F h F + S H S = L h L + V H V + S h S F h F + S (H S - h S ) = L h L + V H V F h F + S λ = L h L + V H V where λ = H S – h S = heat latent Heat in feed + heat in steam = heat in concentrated liquid + heat in vapor + heat in condensed steam S F S V L

11. 11 S T S , H S F S T S , h S V L P T 1 Energy lost by the steam q = S λ = S (H S – h S ) Jika tidak ada energi yang hilang ke lingkungan , jumlah energi akan ditransfer dari uap ke larutan melalui dinding tabung area A dan koefisien perpindahan panas overall U . Maka , q = U A ΔT = U A (T S – T 1 )

12. 12 Operasi – single effect evaporator Panas dari steam saat T s bisa didapatkan dari steam table . Entalpi dari umpan feed (F) – larutan dengan konsentrasi X – dalam tabel , jika tidak tersedia : Asumsi : Bahwa feed sangat dilute ( encer ) sehingga panas laten penguapan 1 kg massa air dari larutan berair ( aqueous ) dapat diperoleh dari steam table menggunakan suhu larutan mendidih T 1 ( s uhu evaporator). Jika kapasitas panas ( cp ) dari liquid feed ( umpan cair ) diketahui  dapat digunakan untuk menghitung entalpi ( abaikan panas pelarutan ).

13. 13 Contoh : A continuous single-effect evaporator concentrates 9072 kg/h of a 1.0 wt % salt solution entering at 38ºC to a final concentration of 1.5 wt %. The vapor space of the evaporator is at 101.325 kPa (1.0 atm abs ) and the steam supplied is saturated at 150 kPa . The overall coefficient U = 1704 W/m 2 .K. Calculate the amounts of vapor and liquid products and the heat-transfer area required. Assumed that, since it its dilute, the solution has the same boiling point as water . Data: The latent heat of steam at 150 kPa 383.2 K = 2230 kJ/kg (958,8 Btu/h) The latent heat of water at 101.325 kPa 373,2 K= 2257 kJ/kg ( 970,3 Btu/h)

14. 14 Penyelesaian Diketahui : F = 9.072 kg/h x F = 1 wt % = 0,01 kg solute / kg feed T F = 38°C = x L = 1,5 wt % = 0,015 kg solute / kg liquid product P = 101,325 kPa (1.0 atm abs) P S = 150 kPa U = 1704 W/m 2 .K T1 = saturated temperature at P (= 101 , 325 kPa) = 100 ° C TS = saturated temperature at 150 kPa = 111 , 4 ° C

15. 15 Penyelesaian Steam, S P S , T S , H S Feed, F x F , T F , h F Condensate, S P S , T S , h S Vapour, V y V , T 1 , H V Concentrate, L x L , T 1 , h L P T 1 Ditanya : V=? L=? A=?

16. 16 Penyelesaian NM total, F = L + V 9.072 = L + V NM solute, F x F = L x L 9.072 ( 0,01 ) = L ( 0,015 ) L = 6.048 kg/h of liquid Maka , V = 3.024 kg/h of vapor

17. 17 Penyelesaian Asumsi : larutan sangat encer (as water); c pF = 4,14 kJ/kg. K (Table A.2-5) Dari soal : At P 1 = 101,325 kPa , T 1 = 373,2 K ( 100°C) ( datum temperature ). H V = 2.257 kJ/kg . At P S = 143,3 kPa , T S = 383,2 K ( 110°C ).  = 2.230 kJ/kg. Maka , entalpi umpan dapat dihitung , h F = c pF (T F – T 1 ) h F = 4,14 ( 311,2 – 373,2 ) = - 256,68 kJ/kg.

18. 18 Penyelesaian F h F + S  = L h L + V H V with h L = 0, karena T datum adalah 373.2 K. 9.072 (- 257,508 ) + S ( 2.230 ) = 6.048 (0) + 3.024 ( 2.257 ) S = 4.108 kg steam / h Panas (q) yang dipindahkan melalui luas permukaan panas A, q = S () q = 4.108 ( 2.230 ) ( 1.000 / 3.600 ) = 2.544.000 W Luas permukaan panas (A); q = U A T = U A (T S – T 1 ) 2.544.000 = 1704 A ( 383,2 – 373,2 ) A = 149,3 m 2 Neraca Panas

19. 19 Penyelesaian Maka , V = 3.024 kg/h of vapor L = 6.048 kg/h of liquid A = 149,3 m 2

20. 20 Pengaruh variable proses terhadap operasional evaporator Suhu aliran umpan memiliki efek besar pada operasi evaporator. Saat umpan tidak berada pada titik didihnya , uap pertama -tama diperlukan untuk memanaskan umpan ke titik didihnya lebih dahulu , baru kemudian mengalami proses penguapan . Pemanasan awal umpan dapat mengurangi besarnya area perpindahan panas evaporator akibat hal tersebut . suhu umpan :

21. 21 Tekanan dalam evaporator menentukan titik didih larutan (T1). Tekanan uap menentukan suhu uap ( Ts ) Karena q = U A (TS - T1), maka semakin besar selisih (TS - T1) akan membantu mengurangi area perpindahan panas yang dibutuhkan  mengurangi biaya . Dapat dilakukan dengan memanfaatkan efek tekanan . Tekanan :

22. 22 Boiling Point Rise Dalam contoh 1, larutan diasumsikan cukup encer sehingga dianggap memiliki sifat termal yang sama dengan air. Hal tersebut tidak selalu benar . Untuk larutan dengan konsentrasi tinggi  terdapat kenaikan titik didih larutan Aturan Duhring ( Duhring Law) adalah hukum empiris hubungan antara titik didih larutan dan titik didih pelarut pada tekanan yang berbeda untuk tiap konsentrasi larutan – perkiraan kenaikan titik didih larutan.

23. 23

24. 24 Contoh Pressure in an evaporator is given as 25,6 kPa (3,72 psia ) and a solution of 30% NaOH is being boiled. Determine the boiling temperature of the NaOH solution and the boiling-point rise (BPR) of the solution over that of water at the same pressure.

25. 25 Penyelesaian : Cari titik didih air pada P soal  25,6 kPa (3,72 psia ) Steam table, boiling point of water at 25,6 kPa is 65,6°C ( T sat ) Dari TD air, dicari titik didih untuk larutan 30% NaOH di fig.8-4 Untuk TD air 65,6 °C (150°F) and 30% NaOH  titik didih larutan NaOH tersebut adalah 79,5°C (175°F). Menghitung BPR The boiling-point rise = 79,5°C – 65,6°C = 13,9°C (25°F)

26. 26 Enthalpy-Concentration Chart Heat of solution – Panas pelarutan Panas yang dihasilkan atau diserap ketika suatu zat melarut ( terbentuk sebuah larutan ). Jumlah panas yang terlibat ketika satu mol atau satu gram larut dalam pelarut mengalami pelarutan . Jumlah panas bergantung pada jenis senyawa , dan jumlah air yang digunakan untuk melarutkan . Contoh pada proses pelarutan pellet NaOH .

27. 27

28. 28 Latihan ! An evaporator is used to concentrate 4.536 kg/h of a 20 % solution of NaOH in water entering at 60ºC to a product of 50 % solid. The pressure of the saturated steam used is 172,4 kPa and the pressure in the vapor space of the evaporator is 11,7 kPa . The overall heat-transfer coefficient is 1.560 W/m 2 .K. Calculate the steam used, the steam economy in kg vaporized/kg steam used, and the heating surface area in m 2 .

29. 29 Latihan ! Buatlah diagramnya terlebih dahulu ! U = 1560 W/m 2 T 1 A = ? P 1 = 11,7 kPa F = 4.536 kg/h T F = 60° C x F = 0,2 h F . S = ? T S , H S P S = 172,4 kPa L, T 1 , h L x L = 0,5 S, T S , h S V, T 1 , y V , H V

30. 30 Penyelesaian ? NM total, F = L + V 4.536 = L + V NM solute, F x F = L x L 4.536 ( 0,2 ) = L ( 0,5 ) L = 1.814 kg/h of liquid Maka , V = 2.722 kg/h of vapor

31. 31 Penentuan T 1 = T sat + BPR of the 50% concentrate product. T sat air dari steam table . Pada 11.7 kPa , T sat = 48,9ºC. Dari grafik Duhring ( Fig. 8.4-2), untuk T sat = 48,9 ºC and 50 % NaOH , titik didih dari larutan adalah T 1 = 89,5ºC. BPR = T 1 - T sat = 90 – 48,9 = 40,6 ºC From the enthalpy-concentration chart (Fig.8.4-3), for T F = 60ºC and x F = 0,2 get h F = 214 kJ/kg. T 1 = 90ºC and x L = 0,5 get h L = 505 kJ/kg. Penyelesaian ?

32. 32 Penyelesaian ? For saturated steam at 172,4 kPa , from steam table, we get T S = 115,6 ºC and  = 2.214 kJ/kg. To get H V for superheated vapor, first we obtain the enthalpy at T sat = 48,9 ºC and P 1 = 11,7 kPa , get H sat = 2.590 kJ/kg. Then using heat capacity of 1.884 kJ/ kg.K for superheated steam. H V = H sat + c p .BPR = 2.590 + 1,884 (40,6) = 2.667 kJ/kg. Substituting into heat balance equation and solving for S, F h F + S  = L h L + V H V 4.535 (214) + S ( 2.214 ) = 1.814 (505) + 2.722 (2667) S = 3.255 kg steam /h. Atau bisa langsung cari Hv di steam table untuk superheated ; T1 = 89,5ºC P = 11,7 kPa

33. 33 Penyelesaian ? The heat q transferred through the heating surface area, A is q = S () q = 3.255 ( 2.214 ) ( 1.000 / 3.600 ) = 2.002.000 W Solving for capacity single-effect evaporator equation; q = U A  T = U A (T S – T 1 ) 2.002.000 = 1.560 A ( 115,6 – 89,5 ) Solving , A = 49,2 m 2 Steam economy = 2.722/3.255 = 0,836

34. 34 Tugas