Evaporator

      Tujuan dari evaporasi adalah memekatkan larutan yang mengandung zat yang sulit menguap (non-volatile solute) dan pelarut yang mudah menguap (volatile solvent) dengan cara menguapkan sebagian pelarutnya. Pelarut yang ditemui dalam sebagian besar sistem larutan adalah air. Umumnya, dalam evaporasi, larutan pekat merupakan produk yang diinginkan, sedangkan uapnya diembunkan dan dibuang. Sebagai contoh adalah pemekatan larutan susu, sebelum dibuat menjadi susu bubuk. Beberapa sistem evaporasi bertujuan untuk mengambil air pelarutnya, misalnya dalam unit desalinasi air laut untuk mengambil air tawarnya.

Evaporasi berbeda dengan distilasi, dalam hal uap yang dihasilkan biasanya merupakan komponen tunggal; bahkan jika uapnya adalah multikomponen, tidak ada usaha untuk memurnikan uapnya menjadi fraksi-fraksi komponen penyusunnya.

JENIS-JENIS EVAPORATOR

Dalam bagian ini akan dibahas skema peralatan evaporasi dan pinsip kerja berbagai evaporator serta beberapa kelebihan dan kekurangan masing-masing.

1.   Horizontal Tube Evaporator.

Alat ini merupakan evaporator yang paling klasik dan sederhana. Evaporator ini banyak digunakan untuk keperluan-keperluan kecil dengan teknologi sederhana.

Features:

·         Tidak memberikan kondisi untuk terjadinya sirkulasi/aliran cairan, sehingga koefisien transfer panas rendah yang menjadikan perpindahan panas tidak efisien.

·         Pengendapan kerak terjadi diluar pipa, sehingga sulit untuk dibersihkan. Konstruksi alat harus diusahakan sedemikian rupa sehingga bundel pipa bisa dikeluarkan untuk dibersihkan.

2.   Basket Evaporator

Features:

·         Sirkulasi/aliran cairan bisa berjalan dengan baik sehingga koefisien transfer panas akibat konveksi alami (natural convection) besar, menjadikan transfer panas cukup efisien. Sirkulasi aliran terjadi secara alami (natural circulation) karena adanya beda rapat massa yang diakibatkan oleh adanya beda fasa antara cairan yang berada diluar pipa dengan cairan yang ada didalam pipa (ρ_dalam-pipa < ρ_{lrt-diluar-pipa}).

·         Pengendapan kerak terjadi didalam pipa, sehingga lebih mudah untuk dibersihkan.

3.   Standard Vertical-Tube Evaporator

Pada alat ini, cairan mengalir dalam pipa sedangkan steam  pemanas mengalir dalam shell. Cairan dalam tabung mendidih, uap yang timbul bergerak keatas dengan membawa cairan. Sirkulasi aliran dalam pipa terjadi karena beda rapat massa yang terjadi karena  perbedaan fasa antara fluida dalam pipa (yaitu: campuran uap-cair) dengan yang diluar pipa (cair). Diatas pipa terdapat ruang uap yang berfungsi untuk memisahkan cairan dengan uap. Uap akan menuju lubang pengeluaran diatas, sedangkan cairan jatuh kebawah melewati saluran besar yang ada ditengah bejana, dan kembali bersirkulasi masuk pipa-pipa. Konveksi alami (natural convection) berjalan baik sehingga transfer panas lebih efisien. Kerak dan endapan terbentuk didalam pipa, sehingga lebih mudah untuk dibersihkan. Adanya sirkulasi menyebabkan cairan berkali-kali kontak dengan permukaan pemanas. Hal ini kurang baik untuk bahan-bahan yang tidak tahan terhadap panas, misalnya: susu, juice dan berbagai dairy product.

4.   Long Tube Vertical Evaporator

Untuk memperbesar kecepatan sirkulasi cairan dengan harapan koefisien perpindahan panas makin tinggi, pipa-pipa transfer panas dibuat lebih panjang. Aliran cairan, setelah masuk ruang uap untuk dipisahkan dengan uap yang terbentuk, kembali kebawah melalui pipa diluar evaporator.’

Keuntungan: Koefisien transfer panas karena sirkulasi alami (natural circulation) lebih besar, sehingga transfer panas bisa lebih efisien.

Kerugian:

Jumlah cairan yang menguap setiap pass sangat besar (karena pipa panjang) sehingga konsentrasi lokal dimulut pipa bagian atas akan sangat tinggi (ingat: cairan dalam evaporator tidak homogen, karena adanya perbedaan suhu dan konsentrasi padatan lokal!). Hal ini dapat menyebabkan kristalisasi/pembentukan gel pada pipa, sehingga bisa mengganggu sirkulasi aliran.

5.   Vertical Tube Evaporator with Forced Circulation

Sirkulasi cairan untuk memperbesar koefisien transfer panas dibantu dengan pompa. Perpindahan panas terjadi karena konveksi paksa (forced convection) sehingga koefisien transfer panas bisa lebih tinggi. Disamping itu, karena arus sirkulasi besar, maka penyumbatan-penyumbatan dalam pipa bisa diatasi oleh aliran oleh pompa. Pipa tidak terlalu panjang. Sirkulasi berjalan cepat, sehingga larutan dalam evaporator lebih homogen. Adanya pompa yang menjadi satu dengan evaporator membuat alat ini lebih mahal (baik biaya pembelian maupun biaya operasinya). Karena aliran keluar pipa cepat, maka pemisahan uap-cairan dalam ruang uap menjadi lebih sulit, sehingga diperlukan baffle yang lebih baik dan ruang pemisah yang lebih besar dibagian atas.

Gambar (a dan b) dibawah, yaitu boiling tube evaporator dan submerged tube evaporator  adalah contoh lain dari forced circulation vertical tube evaporator:

Pada submerged tube type, seluruh pipa pemanas tercelup dalam cairan. Umpan masuk melalui saluran dalam bejana pemisah uap-cair kemudian mengalir kedalam pemanas dari bawah. Pada boiling tube type, tidak seluruh pipa pemanas tercelup oleh larutan.  Larutan umpan langsung masuk kebagian bawah seksi pemanas.

6.   Forced Circulation Evaporator with External Heater

Pompa, heat exchanger dan pemisah uap-cairan masing-masing merupakan unit yang terpisah . Untuk mendapatkan alat ini, bias digunakan alat-alat biasa yang dirangkai sendiri. Kelakuan alat ini seperti pada vertical tube evaporator with forced circulation, akan tetapi lebih murah dan fleksibel karena bisa dirangkai sendiri. Akan tetapi alat ini membutuhkan ruang yang lebih luas (kurang kompak).

7.   Climbing Film, Long Tube Vertical Evaporator with External Heater

Pada prinsipnya sama  seperti Long Tube Vertical Evaporator, hanya alat pemanas dan pemisah uap terpisah. Seperti forced circulation evaporator dengan external heater, alat ini mudah dirangkai sendiri, tetapi kurang kompak. Nama lain dari jenis evaporator diatas adalah Rising Film Evaporator with external heater.

8.   Falling Film Evaporator

Dalam falling film evaporator, cairan mengalir kebawah membentuk film disekeliling dinding dalam pipa. Aliran disebabkan oleh gaya berat dan gesekan uap. Uap yang terbentuk bergerak kebawah. Meskipun Δt kecil, tetapi aliran tetap baik karena adanya gaya gravitasi (bandingkan dengan natural convection evaporator!). Luas permukaan pemanasan jauh lebih besar dibandingkan dengan volume cairan dalam evaporator. Hal ini memungkinkan transfer panas yang cukup dan perusakan bahan belum banyak terjadi karena waktu tinggal yang kecil (volume cairan dalam evaporator kecil). Kapasitas alat ini tidak bisa divariasi terlalu besar. Pembahasan lebih detil tentang alat ini ada pada sub-bab berikutnya.

Contoh beberapa jenis falling film maupun rising film evaporator dapat dilihat pada gambar-gambar dibawah.

9.   Agitated Film Evaporator

Nama lain: turbulent film evaporator atau wiped-film evaporator (untuk yang horisontal).

Evaporator berbentuk tabung (shell) vertikal atau horizontal, dengan pemanas diluar tabung. Pada sumbu tabung terdapat batang yang dapat diputar, yang dilengkapi dengan sirip-sirip. Pada vertical agitated film evaporator, saat batang berputar, cairan bergerak kebawah akan terlempar ketepi tabung (bagian panas) karena putaran sirip. Cairan ditepi tabung akan terpental kembali ketengah tabung. Pada bagian atas tabung disediakan ruang untuk pemisahan uap cairan. Transfer panas berjalan dengan sangat efisien. Problem penyumbatan dan konsentrasi local yang tinggi dapat teratasi.

Agitated film evaporator dirancang untuk larutan yang sangat kental (viskositas tinggi) atau untuk memproduksi padatan. Meskipun demikian, alat ini mahal, konstruksinya sulit dan biaya operasinya tinggi (karena perlu tenaga pengadukan).

10.          Direct Contact  Evaporator

Pada alat ini, cairan berkontak langsung dengan gas pemanas.

Sumber: Foust, et al., 1980

Koefisien transfer panas sangat besar. Ruang didalam tabung ditengah berfungsi untuk pembakaran. Evaporator ini digunakan untuk cairan yang sangat kental, bahkan slurry. Pemakaian panas kembali sulit dilakukan.

11.          Stirred, Discontinuous Evaporator

Evaporator jenis ini digunakan untuk mengiapkan larutan dengan viskositas tinggi atau bahkan pasta atau pulpy. Pemanas dapat dialirkan dalam koil (internal heating), jaket pada shell (external heating) (sumber: Sattler and Feindt, 1995, Thermal Separation Processes).

Sumber: Sattler and Feindt, 1995

Catatan:

Pada saat sekarang, kebanyakan industri menggunakan evaporator tipe vertical tube evaporator dan agitated film evaporator. Pada industri susu (atau bahan makanan/dairy yang sensitive terhadap panas), banyak digunakan falling film evaporator. 

Pada sub-bab dibelakang akan dibahas secara khusus tentang falling film evaporator.

PEMILIHAN JENIS  EVAPORATOR

Pemilihan jenis evaporator setidak-tidaknya harus memperhatikan faktor-faktor berikut:

• Kapasitas produksi yang disyaratkan (throughput required)
• Viskositas umpan dan kenaikkan viskositas selama penguapan
• Produk yang diinginkan: padatan, slurry atau larutan pekat
• Sensitivitas bahan/produk terhadap panas
• Apakah larutan yang diproses fouling (menimbulkan kerak) atau non-fouling
• Apakah larutan dapat menimbulkan busa (foaming)
• Apakah harus dilakukan pemanasan langsung (direct heating)