Pengertian evaporasi dan alat Evaporator beserta Prinsip Kerjanya

I. Evaporator

Evaporator adalah alat untuk mengevaporasi larutan. Evaporasi merupakan suatu proses penguapan sebagian dari pelarut sehingga didapatkan larutan zat cair pekat yang konsentrasinya lebih tinggi. Tujuan evaporasi yaitu untuk memekatkan larutan yang terdiri dari zat terlarut yang tak mudah menguap dan pelarut yang mudah menguap. Dalam kebanyakan proses evaporasi , pelarutnya adalah air. Evaporasi tidak sama dengan pengeringan, dalam evaporasi sisa penguapan adalah zat cair, kadang-kadang zat cair yang sangat viskos, dan bukan zat padat. Begitu pula, evaporasi berbeda dengan distilasi, karena disini uapnya biasanya komponen tunggal, dan walaupun uap itu merupakan campuran, dalam proses evaporasi ini tidak ada usaha untuk memisahkannya menjadi fraksi-fraksi. Biasanya dalam evaporasi, zat cair pekat itulah yang merupakan produk yang berharga dan uapnya biasanya dikondensasikan dan dibuang.
Video alat-alat kimia dapat di lihat di link berikut : https://www.youtube.com/watch?v=vhOpIrUjdw0

Proses evaporasi terdiri dari dua peristiwa yang berlangsung :

1. Interface evaporation, yaitu transformasi air menjadi uap air di permukaan tanah. Nilai ini tergantung dari tenaga yang tersimpan.

2. Vertical vapour transfers, yaitu perpindahan lapisan yang kenyang dengan uap air dari interface ke uap (atmosfer bebas).

Besar kecilnya penguapan dari permukaan air bebas dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu:

1. Kelembaban udara (semakin lembab semakin kecil penguapannya)

2. Tekanan udara

3. Kedalaman dan luas permukaan, semakin luas semakin besar penguapannya

4. Kualitas air, semakin banyak unsur kimia, biologi dan fisika, penguapan semakin kecil.

5. Kecepatan angin

6. Topografi,

7. Sinar matahari

8. Temparatur

II. Fungsi Evaporator

Evaporator adalah sebuah alat yang berfungsi mengubah sebagian atau keseluruhan sebuah pelarut dari sebuah larutan dari bentuk cair menjadi uap. Evaporator mempunyai dua prinsip dasar, yaitu untuk menukar panas dan untuk memisahkan uap yang terbentuk dari cairan. Evaporator umumnya terdiri dari tiga bagian, yaitu penukar panas, bagian evaporasi (tempat di mana cairan mendidih lalu menguap), dan pemisah untuk memisahkan uap dari cairan lalu dimasukkan ke dalam kondensor (untuk diembunkan/kondensasi) atau ke peralatan lainnya. Hasil dari evaporator (produk yang diinginkan) biasanya dapat berupa padatan atau larutan berkonsentrasi.

Larutan yang sudah dievaporasi bisa saja terdiri dari beberapa komponen volatile (mudah menguap). Evaporator biasanya digunakan dalam industri kimia dan industri makanan. Pada industri kimia, contohnya garam diperoleh dari air asin jenuh (merupakan contoh dari proses pemurnian) dalam evaporator. Evaporator mengubah air menjadi uap, menyisakan residu mineral di dalam evaporator. Uap dikondensasikan menjadi air yang sudah dihilangkan garamnya. Pada sistem pendinginan, efek pendinginan diperoleh dari penyerapan panas oleh cairan pendingin yang menguap dengan cepat (penguapan membutuhkan energi panas). Evaporator juga digunakan untuk memproduksi air minum, memisahkannya dari air laut atau zat kontaminasi lain.

2.1 Prinsip Kerja

Evaporator adalah alat untuk mengevaporasi larutan. Prinsip kerjanya dengan penambahan kalor atau panas untuk memekatkan suatu larutan yang terdiri dari zat terlarut yang memiliki titik didih tinggi dan zat pelarut yang memiliki titik didih lebih rendah sehingga dihasilkan larutan yang lebih pekat serta memiliki konsentrasi yang tinggi.

Proses evaporasi dengan skala komersial di dalam industri kimia dilakukan dengan peralatan yang namanya evaporator. Ada empat komponen dasar yang dibutuhkan dalam evaporasi yaitu : Evaporator, kondensor , injeksi uap, dan perangkap uap.

1. Evaporator.

2. Kondensor adalah salah satu jenis mesin penukar kalor (heat exchanger) yang berfungsi untuk mengkondensasikan fluida

3. Injeksi uap.

4. Perangkap uap

Evaporasi dilaksanakan dengan cara menguapkan sebagian dari pelarut pada titik didihnya, sehingga diperoleh larutan zat cair pekat yang konsentrasinya lebih tinggi. Uap yang terbentuk pada evaporasi biasanya hanya terdiri dari satu komponen, dan jika uapnya berupa campuran umumnya tidak diadakan usaha untuk memisahkan komponen-komponennya.

2.2 Tipe-tipe

A. Tipe evaporator berdasarkan banyak proses

1. Evaporator efek tunggal (single effect)

Yang dimaksud dengan single effect adalah bahwa produk hanya melalui satu buah ruang penguapan dan panas diberikan oleh satu luas permukaan pindah panas.

2. Evaporator efek ganda

Di dalam proses penguapan bahan dapat digunakan dua, tiga, empat atau lebih dalam sekali proses, inilah yang disebut dengan evaporator efek majemuk. Penggunaan evaporator efek majemuk berprinsip pada penggunaan uap yang dihasilkan dari evaporator sebelumnya.

Tujuan penggunaan evaporator efek majemuk adalah untuk menghemat panas secara keseluruhan, hingga akhirnya dapat mengurangi ongkos produksi.

Keuntungan evaporator efek majemuk adalah merupakan penghematan yaitu dengan menggunakan uap yang dihasilkan dari alat penguapan untuk memberikan panas pada alat penguapan lain dan dengan memadatkan kembali uap tersebut.

Pada evaporator efek majemuk ada 3 macam penguapan, yaitu :

a. Evaporator Pengumpan Muka (Forward-feed)

b. Evaporator Pengumpan Belakang (Backward-feed)

c. Evaporator Pengumpan Sejajar (Parallel-feed)

B. Tipe evaporator berdasarkan bentuknya

1. Evaporator Sirkulasi Alami/paksa

Evaporator sirkulasi alami bekerja dengan memanfaatkan sirkulasi yang terjadi akibat perbedaan densitas yang terjadi akibat pemanasan. Pada evaporator tabung, saat air mulai mendidih, maka buih air akan naik ke permukaan dan memulai sirkulasi yang mengakibatkan pemisahan liquid dan uap air di bagian atas dari tabung pemanas.Jumlah evaporasi bergantung dari perbedaan temperatur uap dengan larutan. Sering kali pendidihan mengakibatkan sistem kering, Untuk menghidari hal ini dapat digunakan sirkulasi paksa, yaitu dengan manambahkan pompa untuk meningkatkan tekanan dan sirkulasi sehingga pendidihan tidak terjadi.

2. Falling Film Evaporator

Evaporator ini berbentuk tabung panjang (4-8 meter) yang dilapisi dengan jaket uap (steam jacket). Distribusi larutan yang seragam sangat penting. Larutan masuk dan memperoleh gaya gerak karena arah larutan yang menurun. Kecepatan gerakan larutan akan mempengaruhi karakteristik medium pemanas yag juga mengalir menurun. Tipe ini cocok untuk menangani larutan kental sehingga sering digunakan untuk industri kimia, makanan, dan fermentasi.

3. Rising Film (Long Tube Vertical) Evaporator

Pada evaporator tipe ini, pendidihan berlangsung di dalam tabung dengan sumber panas berasal dari luar tabung (biasanya uap). Buih air akan timbul dan menimbulkan sirkulasi.

4. Plate Evaporator

Mempunyai luas permukaan yang besar, Plate biasanya tidak rata dan ditopangoleh bingkai (frame). Uap mengalir melalui ruang-ruang di antara plate. Uap mengalir secara co-current dan counter current terhadap larutan. Larutan dan uap masuk ke separasi yang nantinya uap akan disalurkan ke condenser. Eveporator jenis ini sering dipakai pada industri susu dan fermntasi karena fleksibilitas ruangan. Tidak efektif untuk larutan kental dan padatan

5. Multi-effect Evaporator

Menggunakan uap pada tahap untuk dipakai pada tahap berikutnya. Semakin banyak tahap maka semakin rendah konsumsi energinya. Biasanya maksimal terdiri dari tujuh tahap, bila lebih seringkali ditemui biaya pembuatan melebihi penghematan energi. Ada dua tipe aliran, aliran maju dimana larutan masuk dari tahap paling panas ke yang lebih rendah, dan aliran mundur yang merupakan kebalikan dari aliran maju.

6. Horizontal-tabung Evaporator

Evaporator horisontal-tabung merupakan pengembangan dari panci terbuka, di mana panci tertutup dalam, umumnya dalam silinder vertikal. Tabung pemanas disusun dalam bundel horisontal direndam dalam cairan di bagian bawah silinder. Sirkulasi cairan agak miskin dalam jenis evaporator.

7. Vertikal-tabung Evaporator

Dengan menggunakan tabung vertikal, bukan horizontal, sirkulasi alami dari cairan dipanaskan dapat dibuat untuk memberikan transfer panas yang baik.

C. Tipe evaporator berdasarkan metode pemanasan:

1. Submerged combustion evaporator adalah evaporator yang dipanaskan oleh api yang menyala di bawah permukaan cairan, dimana gas yang panas bergelembung melewati cairan.

2. Direct fired evaporator adalah evaporator dengan pengapian langsung dimana api dan pembakaran gas dipisahkan dari cairan mendidih lewat dinding besi atau permukaan untuk memanaskan.

3. Steam heated evaporator adalah evaporator dengan pemanasan stem dimana uap atau uap lain yang dapat dikondensasi adalah sumber panas dimana uap terkondensasi di satu sisi dari permukaan pemanas dan panas ditranmisi lewat dinding ke cairan yang mendidih.

2.3 Aplikasi

Pengaplikasian evaporator di berbagai industri antrara lain: pada pabrik gula, pabrik garam, industri bahan kimia, industri makanan dan minuman, dan kilang minyak. Proses evaporasi telah dikenal sejak dahulu, yaitu untuk membuat garam dengan cara menguapkan air dengan bantuan energi matahari dan angin. Kegunaan utama dari evaporator adalah menguapkan air pada larutan sehingga larutan memiliki konsentrasi tertentu. Pada industri makanan dan minuman, agar memiliki mutu yang sama pada jangka waktu yang lama, dibutuhkan evaporasi. Misalnya untuk pengawetan adalah pembuatan susu kental manis.

Evaporasi merupakan satu unit operasi yang penting dan biasa dipakai dalam industri kimia dan mineral, misalnya industri aluminium dan gula. Evaporator juga digunakan untuk mengolah limbah radioaktif cair. Kegunaan lainnya adalah mendaur ulang pelarut mahal seperti hexane ataupun sodium hydroxide pada kraft pulping bisa juga untuk menguapkan limbah agar proses penanganan limbah lebih murah. Contoh-contoh Operasi Evaporasi dalam Industri Kimia lainnya yaitu : Pemekatan larutan NaOH, Pemekatan larutan KNO3, Pemekatan larutan NaCL, Pemekatan larutan nitrat dan lain-lain.

2.4 Jenis-Jenis Alat Penguap (Evaporator).

A. Jenis-Jenis Evaporator (Bagian 1)

Gambar 1: Jenis-Jenis Evaporator (Bagian 1)

1. Horizontal Tube Evaporator

Jenis ini merupakan evaporator yang paling klasik dan banyak diaplikasikan pada berbagai bidang industri. Umumnya, jenis ini digunakan untuk keperluan-keperluan skala kecil dengan penggunaan teknologi sederhana.

2. Standard Vertical-Tube Evaporator

Prinsip kerja pada standard vertical-tube evaporator yakni, cairan akan mengalir di dalam pipa sementara uap (steam) mengalir di dalam shell. Di dalam tabung, cairan akan mendidih dan uap yang timbul bergerak membawa cairan ke atas. Pada tahap ini, akan terjadi sirkulasi cairan yang disebabkan oleh perbedaan fasa antara fluida yang terdiri dari campuran uap-cair dengan cairan yang berada di bagian luar pipa. Pada bagian atas pipa terdapat ruang (bejana uap) yang berperan memisahkan cairan dengan uap. Proses pemisahan antar uap dengan cairan dalam ruang uap dimana uap akan keluar melalui saluran atas sementara cairan akan keluar melalui saluran di bagian bawah bejana, selanjutnya akan bersirkulasi kembali melalui pipa-pipa.

3. Basket Evaporator

Sirkulasi cairan berlangsung natural (natural circulation) dan terjadi dengan baik sehingga transfer panas secara konveksi akan berlangsung secara efektif dalam jumlah besar. Natural circulation disebabkan oleh adanya perbedaan rapat massa karena pebedaan fasa antara cairan yang terdapat di dalam pipa dengan cairan yang berada di luar pipa. Selain itu, kerak yang terbentuk di bagian luar pipa mempersulit proses pembersihan, jenis ini hampir mirip dengan horizontal tube evaporator.

4. Vertical Tube Evaporator With Forced Circulation

Evaporator jenis ini menggunakan pompa untuk membantu proses sirkulasi sehingga memperbesar koefisien perpindahan panas. Perpindahan panas dilakukan secara paksa atau konveksi paksa, tujuannya untuk mempercepat laju perpindahan panas antar fluida. Selain itu, penggunaan pompa juga bertujuan untuk mencegah terjadinya penyumbatan di dalam pipa, mengapa demikian? karena dengan menggunakan pompa maka tentu arus aliran akan tinggi sehingga meminimalkan timbulnya endapan penyebab kerak. Selain itu, aliran yang cepat akan membuat larutan lerutan menjadi/lebih homogen. Jenis evaporator ini masih digolongkan dalam dua jenis sesuai dengan jenis tube yang digunakan, yakni submerged tube type dan boiling tube type. Cara kerja dari submerged tube tipe yaitu, keseluruhan pipa pemanas berada di bawah cairan (tercelub), cairan akan masuk melalui suatu saluran ke dalam bejana pemisah uap-cair.

5. Long Tube Vertical Evaporator

Long tube vertical evaporator memiliki ukuran tube transfer panas yang lebih panjang bila dibandingkan dengan ukuran tube pada jenis evaporator lainnya. Tujuannya yakni untuk memperbesar serta mempercepat sirkulasi cairan agar proses perpindahan panas lebih besar. Setelah aliran memasuki ruang uap untuk dipisahkan dari uap yang telah terbentuk, selanjutnya akan mengalir ke bawah melalui pipa luar evaporator.

B. Jenis-Jenis Evaporator (Bagian 2)

Gamabar 2: Jenis-Jenis Evaporator (Bagian 2)

1. Forced Circulation Evaporator With External Heater

Jenis evaporator ini merupakan hasil rangkaian untuk keperluan tertentu, dimana heat exchanger, pompa dan unit pemisah cairan-uap merupakan unit yang terpisah.

2. Falling Film Evaporator

Cara kerja falling film evaporator yakni cairan akan mengalir ke bawah kemudian membentuk film pada sekeliling dinding dalam pipa. Aliran yang terjadi disebabkan oleh adanya gaya berat serta gesekan uap. Uap yang telah terbentuk akan turun ke bawah, walaupun ΔT kecil tapi siklus aliran tetap berjalan baik karena adanya gaya gravitasi. Luas permanasan jauh lebih besar dari volume cairan di dalamnya.

3. Climbing Film, Long Tube Vertical Evaporator With External Heater

Prinsip kerja jenis evaporator ini sebenarnya hampir mirip dengan Long Tube Vertical Evaporator. hanya dibedakan dari alat pemanas dan pemisah uap yang letaknya terpisah.

4. Agitated Film Evaporator

Jenis evaporator ini berbentuk tabung vertikal dan ada juga yang berbentuk horizontal, dengan sistem pemanas berada di luar tabung. Pada sumbu tabung terdapat suatu alat berbentuk batangan yang dapat diputar serta dilengkapi sirip-sirip. Fungsi dari batangan tadi yaitu untuk mengalirkan cairan, dimana saat batangan tersebut berputar maka cairan akan bergerak ke bawah dan kemudian terlempar ke bagian tepi tabung yang panas.

5. Direct Contact Evaporator

Pada jenis evaporator ini akan terjadi kontak langsung antara cairan dengan gas pemanas sehingga koefisien perpindahan panas sangat besar. Di dalam bagian tengah tabung terdapat ruang yang berfumgsi sebagai ruang pembakaran (lihat gambar di atas). Secara umum, penggunaan evaporator ini ditujukan untuk larutan kental, atau bahkan sluriy.

6. Stirred, Discontinuous Evaporator

Jenis dari evaporator ini digunakan memadatkan larutan atau dengan kata lain yakni untuk memperoleh produk bersifat padat. pemanasannya terdiri dari dua jenis, yakni internal heating dan external heating. Untuk pemanasan internal, pemanas akan dialirkan melalui koil, sementara untuk pemanasan extenal, pemanas akan melalui jaket pada shell.