Proses Industri Kimia

Evaporator Distillation Drying Reaktor

Proses pemisahan

Reaksi kimia

Beberapa tipe dari Evaporator

Open kettle atau pan Horizontal-tube natural circulation Vertical-tube (short tube) Long-tube vertical-type evaporator Falling-film Forced-circulation Agitated-film

Evaporator

Proses pemisahan solvent dari larutan berdasarkan pada titik didihnya sehingga didapatkan konsentarsi produk yang lebih pekat.

Panas ditambahkan (steam) ke larutan untuk menguapkan solvent (biasanya air).

Panas disediakan oleh kondensasi dari uap (steam) pada satu sisi dari permukaan metal, dengan penguapan liquid pada sisi lainnya.

Konsentrasi feed masuk sangat encer viskositasnya rendah koefisien perpindahan panasnya relative tinggi.

Selama proses evaporasi, larutan akan menjadi sangat pekat dan cukup viscous penurunan koefisien perpindahan panas.

Open kettle/pan

Bentuk paling sederhana Terdiri dari open pan/kettle dimana liquid dididihkan. Panas di supply oleh kondensasi dari steam didalam jaket

atau didalam koil-koil yang dicelupkan didalam liquid Untuk beberapa kasus, api dikontakkan secara langsung

kedalam larutan Evaporator tipe ini tidak mahal Pengoperasiannnya cukup sederhana Panas ekonominya kurang

Horizontal-tube natural circulation

Steam masuk didalam tube Kondensat meninggalkan evaporator pada bagian akir dari

tube Uap meninggalkan permukaan liquid menuju baflle yang

dipasang pada bagian atas untuk mencegah carryover dari liquid

Uap keluar pada bagian atas menuju kondensor Tipe ini relatif murah dan digunakan untuk liquid yang

nonviscous Karena sirkulasi liquidnya sangat kurang, maka tipe ini

kurang cocok digunakan untuk liquid yang viscous.

Short-Tube

Tube yang digunakan dipasang secara vertikal Liquid masuk didalam tube, steam diluar tube Liquid bergerak keatas karena sirkulasi alami dan mengalir

kebawah melalui downcomer Tipe ini biasanya digunakan untuk liquid yang viscous. Biasanya digunakan diindustri gula, garam dan caustic

soda

Long-tube

Prinsipnya hampir sama dengan Short-tube Liquid masuk didalam tube, steamnya didalam shell Panjang tube ~ 3-10 m Secara umum, liquid mengalir melalui tube hanya sekali

lewatan dan tidak disirkulasikan. Waktu kontaknya cukup rendah Untuk beberapa kondisi tertentu, ketika ratio dari feed dan

laju penguapannya rendah, natural recirculation pada produk melalui evaporator dapat dilakukan dengan menambahkan pipa koneksi antara bagaian outlet dan inlet.

Biasanya digunakan untuk produksi milk.

Falling-film

Variasi dari long-tube Liquid dimasukkan pada bagian atas dari tube dan

mengalir kebawah melalui dinding membentuk lapisan tipis

Pemisahan uap-liquid biasanya terjadi pada bagian bawah Digunakan untuk material yang sensitive terhadap panas Untuk produksi fruit juices Holdup time sangat kecil (5-10 detik atu lebih)

Forced-circulation

Koefisien heat transfer dapat ditingkatkan dengan menggunakan pompa sehingga menyebabkan sirkulasi paksa dari liquid didalam tube

Tipe ini dapat dilakukan pada Long-tube evaporator dengan menambahkan pipa penghubung dengan pompa antara outlet concentrate line dan inlet feed

Tipe ini lebih pendek daripada long-tube Sangat cocok digunakan untuk liquid yang sangat viscous

Agitated-film evaporator

Untuk meningkatkan turbulensi didalam evaporator adalah dengan menambahkan pengadukan mekanik pada liquid

Dapat dilakukan dengan modifikasi falling-film evaporator Liquid masuk pada bagian atas dari tube dan mengalir kebawah

dengan membuat aliran turbulen oleh vertical agitator blades Larutan yang pekat meninggalkan bagian bawah dan uap

meninggalkan bagian atas melalui separator Digunakan untuk material yang viscous dan sensistif terhadap

panas, seperti rubber latex, antibiotics dan fruit juices Biaya operasionalnya mahal dan kapsitasnya kecil.

Tipe Evaporator

Single Effect Multiple Effect

Berdasarkan feed yang masuk, Multiple effect evaporator dapat diklasifikasikan:

1. Forward-feed

2. Backward-feed

3. Parallel-feed

Single Effect

Steam, Ts

Feed, TF

Condensate

Concentrated product

VaporKe kondensor

HE tubesT1

P1

T1

T1

F, XF, hF, TF

V, T1, Hv, yV

L, XL, hL

S, Ts, Hs

S, Ts, hs

Single Effect

Overall Mass balance:In – out = Acc

asumsi :

Steady state, Acc = 0

Tidak ada panas yang hilang (diisolasi)

F + S = V + S + L

F = V + L

Neraca masa komponen:F.XF + S.0 = V.0 + S.0 + L.XL

F.XF = L. XL

Single Effect

Neraca panas

F.hF + S.Hs = L.hL + V.Hv + S.hs

Steam hanya memberikan panas laten (λ), dimana

λ = Hs – hs

F.hF + S.(Hs- hs) = L.hL + V.Hv

F.hF + S. λ = L.hL + V.Hv

q = S. λ q = U.A.ΔT

Multiple Effect

Pembuangan energi pada single effect, karena panas laten dari uap yang meninggalkan evaporator tidak digunakan melainkan dibuang.

Panas laten ini dapat direcoveri dan dapat digunakan kembali pada multiple effect

Forward-feed

Steam yang dihasilkan pada eeffect 1 digunakan untuk memanaskan pada effect 2, dan effect 2 untuk effect 3 dan begitu seterusnya. Sedangkan feed yang masuk juga dari effect 1 ke 2, 2 ke 3 dan seterusnya

Multiple Effect

Backward-feed

Feed masuk pada effect terakir dan mengalir keeffect yang ada didepannya, sampai produk pekat yang diinginkan meninggalkan evaporator pada effect pertama.

Metode ini mempunyai keuntungan ketika feed nya yang masuk sangat dingin, karena feed akan dipanaskan oleh temperatur yang lebih tinggi pada effect ke 2 dan pertama.

Tipe ini membutuhkan pompa pada masing2 effect, karena liquid akan mengalir dari tekanan rendah ke tekanan tinggi.

Metode ini digunakan ketika produk yang diingginkan sangat viscous karena temperatur pada effect awal menurunkan viskositas.

Multiple Effect

Parallel-feed

- uap pada masing2 effect masih digunakan untuk memanaskan effect selanjutnya

- Adanya kombinasi dari uap dan feed yang digunakan

- Metode ini digunakan ketika feed yang masuk hampir saturated dan solid crystal sebagai produk.

Multiple effect

a. Forward, b. Backward, c. Mixed feed, d. Paralel Feed

Faktor-faktor yang mempengaruhi

Temperatur feed

Jika temparatur yang digunakan mendekati titik didihnya maka beban evaporator akan berkurang, dan kebutuhan panasnya juga sedikit

Tekanan

Titik didih larutan akan menurun jika tekanan operasinya diturunkan, hal ini akan menyebabkan kebutuhan panasnya rendan dan ukuran evaporatornya bisa dikurangi

Tekanan steam

Jika menggunakan tekanan tinggi, maka saturated steam akan meningkatkan perbedaan temperatur yang mana akan menurunkan ukuran dan biaya dari evaporator

back

DISTILASI

Digunakan untuk memisahkan komponen dari liquid solution berdasarkan pada relative volatility nya (α)

α : rasio dari konsentrasi A pada kondisi uap terhadap konsentrasi A pada liquid dibagi dengan ratio konsentrasi dari B pada kondisi uap terhadap B pada liquid

α = (yA/xA)/(yB/xB)

Jika A>1, pemisahan sangat mungkin dilakukan Semua komponen ditunjukkan dalam 2 fase (liquid dan uap) Uap dihasilkan dari fase liquid dengan penguapan pada titik

didihnya

Distilasi

Persyaratan dasar dari distilasi adalah komposisi dari uap berbeda dengan komposisi liquid didalam kesetimbangan pada saat titik didih liquid

Distilasi mengacu pada campuran larutan yang semua komponennya adalah volatile, seperti ammonia-air atau ethanol-air, dimana kedua komponen pada kondisi fase uap.

Distilasi berbeda dengan evaporator. Pada evaporator yang diuapkan hanya solventnya, misalnya garam-air, yang diuapkan hanya airnya saja sedangkan garamnya tidak.

Distilasi juga berbeda dengan absorpsi, dimana satu dari komponen didalam absorpsi tidak larut didalam fase liquid

Klasifikasi distilasi

Flash distillationUap yang dihasilkan dengan pendidihan dari campuran liquid dipisahkan didalam single stage. Tidak ada liquid yang dikembalikan melalui single stage.Ada 3 tipe dari distilasi ini:1. Equilibrium atau flash distillation2. Simple batch atau differential distillation3. Simple steam distillation

Fractional distillation/ distillation with refluxUap bergerak menuju keatas melalui stages atau trays yang disusun secara seri dan kondensat mengalir kebawah pada trays dengan arah berlawanan terhadap uap.

Flash distillation

Terjadi pada single stage, dimana liquid diuapkan secara partial Uap yang masuk disediakan pada kondisi keseimbangan dengan

liquid, kemudian fase uap dan liquid dipisahkan Dapat dilakukan secara batch atau kontinyu

HeaterSeparator

L, x

V, y

Neraca masa total :

X xF = Vy + Lx

F, xF

Simple batch

Liquid dimasukkan pada kettle, lalu dididihkan secara lambat Uap diambil secara cepat oleh kondensor, dimana uap yang

tekondensasi dikumpulkan Komposisi liquid berubah dari x - dx

L mol liquid

x

V mol uap ke kondensor

y

Fractional distillation (blok diagram)

Steam

Sieve tray or stage

Bottom liquid product

Vapor

Reflux

Liquid

Feed

Reboiler

Liquid

Vapor

Cooling water

Produk

Feed

Condensor

back

Drying

Digunakan untuk memindahkan air dari material dan zat lain Digunakan pemindahan organik liquid seperti benzena atau

pelarut organik dari solid Secara umum didefinisikan perpindahan sejumlah kecil air dari

material. Air dipindahkan dengan mengontakkan udara kering kedalam

material solid.

Klasifikasi drying

Batch

Material dimasukkan kedalam peralatan pengering dan proses pengeringan dilakukan selama periode waktu tertentu

Continuous

Material ditambahkan secara kontinyu ke dryer dan material kering dipindahkan secara kontinyu

Kategori drying

1. Panas ditambahkan secara kontak langsung dengan udara panas pada tekanan atmosfer. Uap air yang terbentuk dipindahkan dengan udara

2. Vacuum drying. Proses penguapan air lebih cepat pada kondisi tekanan rendah, dan panas ditambahkan secara tidak langsung dengan mengontakkan dinding besi atau radiasi. Temperatur rendah dapat juga digunakan pada tekanan vacuum untuk material tertentu yang mungkin mengalami dekomposisi atau perubahan warna akibat temperatur yang tinggi

3. In freeze drying

Air disublimasikan dari material yang membeku

Peralatan dryer

1. Tray dryer

2. Vacuum-Shelf Indirect Dryers

3. Continuous Tunnel Dryers

4. Rotary Dryers

5. Drum Dryers

6. Spray Dryers

7. Drying of Crops and Grains

Neraca masa total

DRYER

Solid

Ls, Ts1, X1

Ts2, X2

Udara kering

G, TG2, H2TG1, H1

GH2 + LsX1 = GH1 + LsX2

back

Indirect-contact rotary dryer

Cone Dryer

Rotating batch vacuum dryer

Direct-heat rotary dryer

Reaktor

Tempat terjadinya reaksi untuk mendapatkan produk yang diinginkan

Digunakan untuk mempelajari kinetika dari suatu reaksi

Kriteria pemilihan reaktor

Mudah dalam pengambilan contoh maupun analisa produk Kemampuan reaktor untuk bekerja isothermal Tingkat efektivitas kontak antara reaktan dengan katalis Kemudahan penanganan katalis yang telah rusak Biaya operasi maupun konstruksi

Tipe Reaktor

Reaktor Batch Reaktor Diferensial Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (CSTR) Reaktor Integral (Fixed Bed Reaktor) Reaktor Transport Reaktor Transport dengan Resirkulasi

Reaktor Batch

Dilengkapi dengan pengaduk sehingga konsentrasi disemua titik sama/homogen

Bila menggunakan katalis maka dalam bentuk slurry Kontak antara reaktan dengan katalis lebih baik Digunakan untuk proses yang membutuhkan waktu reaksi yang

lama, seperti fermentasi Reaktan dan katalis dimasukkan secara bersamaan Tidak cocok digunakan untuk industri skala besar karena

biayanya mahal

Reaktor Batch

Pengaduk

Jaket pemanas/pendingin

Reaktor Diferensial

Digunakan dilaboratorium untuk studi kinetika, yaitu untuk menentukan laju reaksi sebagai fungsi konsentrasi

Berupa pipa yang diisi sedikit katalis sehingga membentuk suatu piringan dibagian tengah katalis tersebut

Karena katalisnya sedikit, konversinya sangat kecil Konsentrasi reaktan relative konstan Biaya operasinya murah Jarang digunakan untuk sistem multikomponen

Reaktor diferensial

FA0 FA0

ΔL

Katalis

Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (CSTR)

Katalis dimasukkan bersamaan dengan aliran feed, dan meninggalkan reaktor bersamaan dengan produk

Katalis dalam reaktor mempunyai aktivitas dan selektivitas yang sama disemua titik

Reaksinya berjalan sangat baik Pemisahan antara fluida dan dengan katalis susah dilakukan Dapat digunakan hanya 1 unit atau dipasang secara seri dengan

tujuan untuk meningkatkan konversi reaksi Waktu tinggal dalam reaktor ditentukan oleh laju alir dari feed

masuk dan keluar Waktu tinggalnya terbatas sehingga sulit mencapai konversi

reaktan per volume reaktor yang tinggi

CSTR serie

Inlet

Outlet

Reaktor Integral

Reaktor bentuk pipa yang diisi dengan katalis padat Mudah dalam konstruksinya Walaupun terjadi channeling saat melalui katalis, tapi bukan

suatu masalah yang fatal Kontak antara reaktan dan katalis lebih besar, sehingga produk

yang dihasilkan juga lebih besar Untuk reaksi yang sifatnya sangat endothermis atau exothermis,

gradiant temperatur kearah axial dan radial dapat terjadi, sehingga kondisi isothermal susah dijaga

Kerusakan katalis selama reaksi akan menyebabkan laju reaksi berubah

Reaktor Integral (PFR)

Inlet Outlet

Katalis

PFR

Reaktor alir bentuk pipa dikenal juga sebagai Plug Flow Reaktor (PFR)

PFR lebih mudah dioperasikan dibandingkan CSTR, karena tidak ada bagian yang berputar serta konversi pervolume reaktor cukup tinggi

Kesulitan PFR adalah kontrol temperatur sepanjang reaktor dan kenaikan panas yang mendadak dapat terjadi ketika eksothermis

Reaktor tubular dapat digunakan tunggal dengan ukuran yang cukup panjang atau dengan ukuran yang pendek teatpi digunakan beberapa buah secara paralel yang dikenal Multi Tube Reaktor

Fixed Bed Reactor (Packed Bed)

Merupakan reaktor tubular tetapi diisi dengan katalis padat Reaksi heterogenous ini lebih banyak digunakan fase gas Kontrol temperatur sulit Pengaturan katalis dalam pipa yang susah Konversi reaksi yang tinggi

Fixed Bed Reaktor

Katalis padat dalam tube

Fluidized-Bed Reaktor

Analog dengan CSTR Pengadukannya baik, sehingga distribusi temperatur yang

merata sepanjang bed ( lebih uniform) Kemudahan dalam penggantian katalis atau regenerasi katalis Biaya operasinya dapat ditekan

Reaktor berpengaduk yang berisi solid

Stirred Contained Solids Reactor/SCSR Katalis padat diisikan pada padle dari pengaduk yang berputar

dengan kecepatan tinggi untuk mencegah perpindahan massa eksternal

Kondisi isothermal dapat terjaga dan kontak katalis dengan fluida terjadi dengan baik

Untuk ukuran katalis solid yang kecil (powder), kesulitan utama adalah ukuran screen pada padle agar katalis tidak keluar

Pengambilan contoh dan analisanya mudah

SCSR

Inlet

Outlet

Katalis

Reaktor Transport

Digunakan dalam proses produksi gasoline dari fraksinasi petroleum, pengeringan biji-bijian

Salah satu inert gas atau reaktannya sendiri bergerak membawa katalis sepanjang reaktor

Kerusakan katalis dapat diminimalkan Kemungkinan slip antara katalis partikel dengan gas untuk

aliran gas rendah Konstruksinya lebih mudah dibandingkan CSTR Pemisahan katalis dan reaktan gas yang cukup sulit

Reaktor Transport dengan Resirkulasi

Dengan resirkulasi gas dan katalis menghasilkan pengadukan yang sempurna

Distribusi produk dan parameter kinetik sedikit berbeda karena adanya pencampuran antara katalis segar dan yang sudah terpakai

Konstruksinya sedikit sulit karena adanya proses sirkulasi

back