SIMULASI PROSES EVAPORASI BLACK LIQUORDALAM FALLING FILM EVAPORATOR

DENGAN ADANYA ALIRAN UDARA

Dosen Pembimbing :

JurusanJurusanJurusanJurusan TeknikTeknikTeknikTeknik KimiaKimiaKimiaKimiaFakultasFakultasFakultasFakultas TeknologiTeknologiTeknologiTeknologi IndustriIndustriIndustriIndustriInstitutInstitutInstitutInstitut TeknologiTeknologiTeknologiTeknologi SepuluhSepuluhSepuluhSepuluh NopemberNopemberNopemberNopemberSurabayaSurabayaSurabayaSurabaya2012012012011111

Dosen Pembimbing :

1. Prof. Dr. Ir. Ali Altway, MS2. Dr. Ir Susianto, DEA

Disampaikan oleh :

Kurniasri P. Dewi Lina Kurnia Putri

(2309 105 031) (2309 105 036)

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

Latar Belakang

Kandungannya terdiri :air, lignin, selulosa, Na2CO3, dan Na2SO4

Mengubah Na2CO3 menjadi NaOH

Black Liquor adalah produk samping dari proses industri kertas.

Mengubah Na2CO3 menjadi NaOH sehingga kembali terbentuk white liquor untuk digunakan kembali ke proses selanjutnya dengan cara pemekatan black liquor.

Pemekatan Black Liquor menimbulkan kerak dalam evaporator, sehingga digunakan Falling Film Evaporator.

Latar Belakang

Pada umumnya proses evaporasiberlangsung dalam kondisi vakum yang bertujuan untuk menurunkan suhu didih

Evaporator adalah alat yang digunakan industri kimia untuk

memekatkan suatu larutan

Falling Film Evaporator merupakan salah satu jenisevaporator dengan laju perpindahan panas yang

besar dan memiliki waktu tinggal yang relatif kecil

larutanSehingga untuk meminimalkan biaya

energi untuk operasi suatu pabrik, sebagai salah satu cara sebagai

pengganti kondisi vakum digunakanaliran gas inert (udara) Perlu adanya penelitian

(eksperimen dan simulasi) untukmemprediksi kinerjafalling film

evaporator secara tepat

Peneliti Terdahulu

Peneliti Tahun Lingkup Penelitian

Bhargava dkk 22008 Mengadakan simulasi tentang flat falling film evaporator untuk larutan black liquor.

Gallilea Tanjung danReino Arif

22009 Simulasi Falling Film Evaporator dengan Sistemlarutan Black liquor–Udara dengan menggunakankoefisien perpindahan panas dan massa dariliteratur.literatur.

Kurniawan dan Irawan 2010 Eksperimen tentang pengaruh laju alir udara dan lajualir black liquor serta arah aliran udara terhadapkoefisien perpindahan panas dan massa di dalamfalling film evaporator.

Rumusan Masalah

Permasalahan yang akanditelaah pada penelitian ini

adalah

1. Melakukan kajian teoritis kinerja fallingfilm evaporator aliran udara counter

Tujuan Penelitian

Bagaimana memprediksi

secara teoritis kinerja

falling film evaporator

dengan meninjau pengaruh

laju alir liquid (black

liquor) dan gas.

Serta melakukan fitting

parameter model yaitu

koefisien perpindahan

panas dan massa.

film evaporator aliran udara countercurrent untuk memekatkan black liquordengan pengembangan model matematis.

2. Menentukan konstanta parameter modelyaitu koefisien perpindahan massa danpanas dengan fitting parameter model.

Diagram Alir Langkah-Langkah Penelitian

Studi Literatur

Pengembangan model matematis

Pembuatan program

Fitting parameter

Simulasi dengan variabel

Interpretasi hasil

Kesimpulan

Kerterangan :

Skema Peralatan untukAliran Udara counter current

1 : Evaporator2 : tangki konsentrat3 : tangki produk4 : tangki kondensat5 : tangki umpan6 : tangkioverflow7 : kondensor8 : rotameter umpan9 : rotameter udara10 : alatpemanastangkiumpan10 : alatpemanastangkiumpan11 : alat pemanasevaporator12 : alat pemanas udara13 : pompa umpan14 : pompa produk15 : kompresor16 : distributor17 : penunjuk level18 : pipa pengambilan contoh produk19 : sight glass20 – 24 : valve* Diameter : 2,54 cm

Tinggi pipa : 2 m

Model Matematik Falling Film Evaporator

τrz r+Δr

R

r

z

1m&

R - δ

δT

W τrz r

0m&

ASUMSI • Aliran laminar, steady state.• Film liquid rata dan tebal film

seragam• Konveksi ke arah radial, konduksi ke

arah akxial pada liquid• Konduksi ke arah radial dan axial,

konveksi ke arah radial pada gas.• Properti-properti fisik dari fase

R

Skematik Falling Film EvaporatorEvaporator

• Properti-properti fisik dari fase larutan seperti densitas, kapasitas panas dan konduktivitas panas tidak bergantung temperatur

• Properti-properti fisik fase gas bergantung pada temperatur dan mengasumsikan gas ideal

Variabel Penelitian

INPUT• Laju alir larutan (100 , 130 ,

150 L/jam)

• Laju alir udara (4, 6 m3/jam)

• Pemanasan dinding (4,5 kW)

OUTPUT

• Distribusi temperatur larutan (liquid)

aksial dan radial

• Distribusi temperatur gas kearah aksial

• Distribusi konsentrasi di dalam film

liquid kearahaksialliquid kearahaksial

• Konsentrasi dalam aliran liquid keluar

Model Matematik Falling Film Evaporator

• Neraca Momentum(Laju momentum masuk) - (Laju momentum keluar) + gaya gravitasi = 0

0)()( =−+−

grdr

rdGL

rz ρρτ

Dimana τrz untuk fluida Newton maka :dr

dVzrz µτ −=

Boundary Conditions :r = R1 - δ → τrz = 0r = R1 Vz = 0

Sehinggadidapat:

-

Sehinggadidapat:

Vz= −−−

)(4

)( 22 rRgGL

µρρ

)ln)(2

)( 2

r

RR

gGL δµρρ

−−

• Neraca EnergiPada film liquida :

0=− OutputInput

∂∂

∂∂=

∂∂

r

Tr

rr

k

z

TCpV LL

LLz ρ

Boundary Conditionz = 0 TL = Tlinr = R –δ q = hG (TL - TG) + λ ky (YAS - YAG)r = R q = qwDengan menggunakan Metodefinite difference dan Metode runge kutta

Sistem Persamaan yang Harus Diselesaikan

• Neraca EnergiPada Udara

Boundary Conditionsz = L TG = TGin

Sehinggadidapat

( )0

4=

−+

∂∂

D

TTsh

z

TvCp GGG

GGGρ

• Neraca Massa Total

Boundary Conditionsz = 0 F = FinSehingga didapat

( )YYDkF −−=∂ π

Sehinggadidapat

)(4

.G

GGpG

GG TTsDVC

h

z

T −−=∂

∂ρ

( )AGASy YYDkz

F −−=∂∂ π

Hasil dan Pembahasan

Dari penelitian ini diperoleh koefisien transfer panas dan

massa sebagai berikut :

Perbandingan antara PrediksiSimulasi dengan Data Eksperimen

Pengaruh Laju Alir Larutan TerhadapDistribusi Temperatur Liquida dengan laju

alir gas 4 m3/jam

Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap DistribusiTemperatur Liquida bagian Interface dengan

laju alir gas 4 m3/jam

Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap DistribusiTemperatur liquida bagian dinding dengan laju

alir gas 4 m3/jam

Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Temperatur liquida bagian dinding denganlaju alir gas 4 m3/jam

Pengaruh Laju Alir Larutan dan Gas terhadap Distribusi Konsentrasi

dengan laju alir gas 4 m3/jam

Kesimpulan dan Saran

1. Kesimpulan

Penelitian ini mendapatkan persamaan koefisien transfer panas dan massa yaitu :

Padahasilpenelitiankonsentrasisolute keluartertinggidiperoleh15,49%ketikalajuPadahasilpenelitiankonsentrasisolute keluartertinggidiperoleh15,49%ketikalajualir larutan 100 l/jam dan laju alir gas 6 m3/jam pada konsentrasi masuk 5,92%.

Hasil prediksi dengan hg dan ky dari penelitian ini lebih dekat dengan data eksperimendengan kesalahan rata-rata 8,096%, dibandingkan dengan hasil prediksi dengan hg dankc dari literatur dengan kesalahan rata-rata sebesar 12,993%.

2. SaranMelakukan penelitian secara simulasi dengan aliran film liquid yang turbulen.