SIMULASI PROSES EVAPORASI BLACK LIQUOR DALAM …digilib.its.ac.id/public/ITS-paper-19890-2309105026-Presentation.pdf · LATAR BELAKANG Produksampingindustrikertas Mengandungair, lignin,

SIMULASI PROSES EVAPORASI BLACK LIQUORDALAM FALLING FILM EVAPORATOR (FFE)

DENGAN ADANYA ALIRAN UDARA

DITINJAU DARI PENGARUH ARAH ALIRAN UDARA

Dosen Pembimbing :

Jurusan Teknik Kimia

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya

2012

Dosen Pembimbing :

1. Prof. Dr. Ir. Ali Altway, MS2. Dr. Ir. Kusnarjo, MT

Disampaikan oleh :

Medya Ayunda Fitri Trisna Kumala Dhaniswara(2309 105 026) (2309 105 038)

Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa

PENDAHULUAN


PENDAHULUAN

LATAR BELAKANG

Produk samping industri kertas

Mengandung air, lignin, selulosa, Na2CO3, dan Na2SO4

BLACK

LIQUOR


Pada industri kertas, black liquordiolah kembali menjadi white liquor

untuk digunakan kembali

LATAR BELAKANG

EVAPORATOR

FALLING FILM EVAPORATOR

Laju perpindahan panas besar

Waktu tinggal relatif kecil


PERANCANGAN FALLING FILM EVAPORATOR

Penelitian (eksperimen dan simulasi) untuk memprediksi kinerja falling film evaporator secara tepat

PENELITI TERDAHULU

Peneliti Tahun Lingkup Penelitian

Lonkar, dkk 1991 Mengadakan penelitian tentang penyusunan

aplikasi falling film evaporator pada industri

gula di India dengan mempertimbangkan

aplikasi yang efektif dari kriteria perpindahan

panas dan distribusi masukan.


panas dan distribusi masukan.

Hewit, dkk 1993 Memberikan persamaan koefisien

perpindahan panas pada aliran laminar halus,

laminar gelombang dan turbulen.

PENELITI TERDAHULU


Palen, dkk 1994 Mengadakan penelitian hubungan antara

perpindahan panas dan perpindahan massa,

untuk campuran biner ethylen glikol dan

propilen glikol, pada tekanan atmosfer.

Lailatul, dkk 2000 Mengadakan penelitian tentang pengaruh laju


Lailatul, dkk 2000 Mengadakan penelitian tentang pengaruh laju

alir, dan konsentrasi terhadap koefisien

perpindahan panas untuk larutan gula.

Penelitian ini dilakukan pada tekanan

atmosferik.

PENELITI TERDAHULU


Liang-Han Chien,

dkk

2005 Mengadakan penelitian tentang

membandingkan data eksperimen dengan

prediksi model falling film evaporator pada

literatur.


Budhikarjono,

dkk

2006 Mengadakan penelitian tentang perpindahan

panas dan massa penguapan falling film

campuran uap-gas metanol-air arah

berlawanan.

PENELITI TERDAHULU


Bhargava, dkk 2008 Mengadakan penelitian tentang

membandingkan data eksperimen dengan

pengembangan model matematika non linear

untuk analisa Septuple effect flat falling film

evaporator (SEFFFE) system menggunakan


evaporator (SEFFFE) system menggunakan

konsentrasi black liquor dalam industri

kertas.

Tanjung, dkk 2009 Mengadakan penelitian tentang simulasi

falling film evaporator dengan sistem larutan

black liquor – udara dengan data dari literatur.

RUMUSAN MASALAH

1. Bagaimana mengevaluasi kinerja falling film evaporator sistem black

liquor-udara dengan menggunakan simulasi.

2. Bagaimana mencari koefisien perpindahan panas dan massa serta

korelasi koefisien perpindahan panas dan massa.


korelasi koefisien perpindahan panas dan massa.

3. Bagaimana pengaruh arah aliran udara terhadap kinerja

evaporator?

TUJUAN PENELITIAN

1. Melakukan kajian teoritis dengan cara membandingkan hasil

eksperimen dan simulasi dengan pengembangan model matematis

kinerja falling film evaporator untuk memekatkan black liquor.

2. Mengestimasi parameter model (koefisien perpindahan panas dan

massa) dengan fitting prediksi teoritis terhadap data eksperimen


massa) dengan fitting prediksi teoritis terhadap data eksperimen

peneliti terdahulu.

3. Mempelajari pengaruh arah aliran udara terhadap kinerja evaporator

METODOLOGI PENELITIAN


METODOLOGI PENELITIAN

LANGKAH-LANGKAH

PENELITIAN

Studi literatur

Permodelan matematis proses penguapan black liquor dalam Falling Film

Evaporator dari persamaan differensial diselesaikan dengan persamaan numerik

Pembuatan program denganmenggunakan Matlab


menggunakan Matlab

Estimasi parameter

Simulasi dan evaluasi hasil simulasi

Kesimpulan

Keterangan :

SKEMA PERALATAN UNTUK

ALIRAN UDARA CO-CURRENT

1 : Evaporator2 : tangki konsentrat3 : tangki produk4 : tangki kondensat5 : tangki umpan6 : tangkioverflow7 : kondensor8-13 : pengukur suhu dinding14 : pengukur suhu umpan15 : pengukur suhu campuran uap–udara keluar16 : pengukursuhuudaramasuk16 : pengukursuhuudaramasuk17 : pengukur suhu produk18 : rotameter umpan19 : rotameter udara20 : alat pemanas tangki umpan21 : alat pemanasevaporator22 : alat pemanas udara23 : pompa umpan24 : sight glass25 : kompresor26 : distributor27 : penunjuk level28 : pengukur tekanan29 : pipa pengambilan contoh produk30 : by pass31-35 : valve

Keterangan :

SKEMA PERALATAN UNTUK ALIRAN

UDARA COUNTER-CURRENT

1 : Evaporator2 : tangki konsentrat3 : tangki produk4 : tangki kondensat5 : tangki umpan6 : tangkioverflow7 : kondensor8-13 : pengukur suhu dinding14 : pengukur suhu umpan15 : pengukur suhu campuran uap–udara keluar

18

1

6

8

9

10

14

15

26

31

32

16 : pengukur suhu udara masuk17 : pengukur suhu produk18 : rotameter umpan19 : rotameter udara20 : alat pemanas tangki umpan21 : alat pemanasevaporator22 : alat pemanas udara23 : pompa umpan24 : sight glass25 : kompresor26 : distributor27 : penunjuk level28 : pengukur tekanan29 : pipa pengambilan contoh produk30 : by pass31-35 : valve

3 4

7

27

2

5

11

12

13

17

20

21

23

24

28

29 30

33

34

35

25

22

Udara

19

16

AirPendingin

VARIABEL PENELITIAN

INPUT

1. Laju alir umpan (100 l/jam, 110 l/jam dan 120 l/jam)

2. Laju alir udara (4 dan 6 m³/jam)

3. Arah aliran udara (co-current dan counter current)


OUTPUT

1. Distribusi temperatur liquid ke arah axial

2. Distribusi temperatur gas ke arah axial

3. Distribusi konsentrasi di dalam film liquid ke arah axial

4. Konsentrasi dalam aliran liquid keluar

SKEMATIK FFE

τrz r+Δr

r

z

δ

TW

τrz r

0m&

ASUMSI

• Aliran laminar, steady state.• Film liquid rata dan tebal film seragam• Konveksi ke arah radial, konduksi ke

arah axial.• Konduksi ke arah radial dan axial,

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


R

1m&

R - δ

• 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

SISTEM PERSAMAAN

� Neraca momentum :

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

…………………………………(3.1)

Dimana τrz untuk fluida Newton :

= - μ …………………………………(3.2)

Boundary Condition :

0)(

)(=−+

−gr

dr

rdGL

rz ρρτ

rzτ

dr

dVz


r = R – δ τrz = 0

r = R Vz = 0

Sehingga didapat :

Vz= ....................... (3.3)

....................................................... (3.4)

−−−)(

4

)( 22 rRgGL

µρρ

)ln)((2

)( 2

r

RR

gGL δµρρ −−

rdrVvR

R z∫ −=

δπ2

SISTEM PERSAMAAN

� Neraca Energi

Pada film liquida

…………………………………(3.5)


∂∂

∂∂=

∂∂

r

Tr

rr

k

z

TCpV LLL

LLz ρ



z = 0 TL = Tlin

r = R – δ q = -kL = hG (TL - TG) + λ ky (YAS - YAG)

r = R q = qw

dr

dTL

SISTEM PERSAMAAN

� Neraca Energi

Pada udara

Untuk aliran co-current :

.........................................(3.6)

Untuk aliran counter-current :

( )0

4=

−+

∂∂

−D

TTsh

z

TvCp GGG

GGGρ


Untuk aliran counter-current :

..........................................(3.7)


z = L TG = TGin (counter current)

z = 0 TG = TG (co-current)

( )0

4=

−+

∂∂

D

TTsh

z

TvCp GGG

GGGρ

SISTEM PERSAMAAN

� Neraca Massa Total :

…………………………….(3.8)


z = 0 F = Fin

( )AGASy YYDkz

F −−=∂∂ π


Neraca massa solute (komponen) dalam liquid

…………………………….(3.9)inCC in F F =

HASIL DAN PEMBAHASAN


HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari data eksperimen kemudian dilakukan Fitting dengan menggunakan

Qgas Qliquid Konsentrasi

4 100 0,106

110 0,106

120 0,106

6 100 0,131

110 0,131

120 0,131

Data eksperimen :


metode HookeJeeves.

………………………………… (4.3)

………………………………….. (4.4)

Sehingga diperoleh nilai C1 = 0,0027 dan C2 = 0,0437

Perbandingan antara Prediksi Simulasi dengan Data Eksperimen

379

380

381

382

Tem

pera

tur

liqui

d,T

l (K

)

Eksperimen Kurniawan-Irawan pada Qg = 4 m3/jam

Simulasi pada Qg = 4 m3/jam

Eksperimen Kurniawan-Irawan pada Qg = 6 m3/jam

Simulasi pada Qg = 6 m3/jam


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2373

374

375

376

377

378

Posisi aksial,z (meter)

Tem

pera

tur

liqui

d,T

l (K

)

Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Temperatur

Liquida bagian Interface Pada Aliran Udara Searah

368

370

372

374

Tem

pera

tur liq

uid,

Tl (

K)

Qlarutan=100 L/jam

Qlarutan=110 L/jamQlarutan=120 L/jam


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2360

362

364

366

368


Tem

pera

tur liq

uid,

Tl (

K)


Liquida bagian Interface Pada Aliran Udara Berlawanan Arah



Liquida bagian Dinding Pada Aliran Udara Searah

378

379

380

381

382

Tem

pera

tur

liqui

d,T

l (K

)

Qlarutan=100 L/jam



0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2373

374

375

376

377


Tem

pera

tur

liqui

d,T

l (K

)

Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi TemperaturLiquida bagian Dinding Pada Aliran Udara Berlawanan Arah

378

379

380

381

382

Tem

pera

tur

liqui

d,T

l (K

)

Qlarutan=100 L/jam



0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2373

374

375

376

377


Tem

pera

tur

liqui

d,T

l (K

)

Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Distribusi Temperatur Gas

Pada Aliran Udara Searah

362.8

362.9

363

363.1

Tem

pera

tur

gas,

Tg

(K)


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2362.4

362.5

362.6

362.7

362.8

Posisi axial,z (meter)

Tem

pera

tur

gas,

Tg

(K)

Qgas=4 m3/jam

Qgas=6 m3/jam

Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Distribusi Temperatur Gas

Pada Aliran Udara Berlawanan Arah


Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Konsentrasi

Pada Aliran Udara Searah

0.12

0.14

0.16

Kon

sent

rasi

sol

ut,X

a


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20.04

0.06

0.08

0.1

Posisi aksial,z

Kon

sent

rasi

sol

ut,X

a

Q larutan=100 m3/jam



Pengaruh Laju Alir Larutan Terhadap Distribusi Konsentrasi

Pada Aliran Udara Berlawanan Arah

0.12

0.14

0.16

Kon

sent

rasi

sol

ut,X

a


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20.04

0.06

0.08

0.1


Kon

sent

rasi

sol

ut,X

a


Q larutan=110 m3/jamQ larutan=120 m3/jam

Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Distribusi Konsentrasi Pada

Aliran Udara Searah

0.12

0.14

0.16

Kon

sent

rasi

sol

ut,X

a

Q gas=4 m3/jam

Q gas=6 m3/jam


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20.04

0.06

0.08

0.1


Kon

sent

rasi

sol

ut,X

a

Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Distribusi Konsentrasi Pada

Aliran Udara Berlawanan Arah

0.16

0.18

0.2

0.22

Kon

sent

rasi

sol

ut,X

a


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14


Kon

sent

rasi

sol

ut,X

a

Q gas=4 m3/jam

Q gas=6 m3/jam

KESIMPULAN

1. Hasil simulasi mendekati hasil eksperimen dengan penyimpangan rata-rata

untuk laju alir gas 4 m3/jam sebesar 10,26% dan untuk laju alir gas 6 m3/jam

sebesar 4,64 %.

2. Penelitian ini mendapatkan persamaan koefisien transfer panas dan massa yaitu :

………………….. (5.1)


………………….. (5.2)

3. Pengaruh arah aliran udara terhadap efisiensi kinerja Falling Film Evaporator yang

lebih baik adalah dengan menggunakan aliran udara berlawanan arah. Hal ini

ditunjukkan dari konsentrasi keluar hasil simulasi untuk aliran udara

berlawanan arah pada gas 4 m3/jam sebesar 15,8% dan untuk aliran udara searah

pada gas 4 m3/jam sebesar 12,5%.


SIMULASI PROSES EVAPORASI BLACK LIQUOR DALAM …digilib.its.ac.id/public/ITS-paper-19890-2309105026-Presentation.pdf · LATAR BELAKANG Produksampingindustrikertas Mengandungair, lignin,

Documents