win alfalah: OPTIMUM TEMPERATURE DISTRIBUTION IN A MULTISTAGE FLASH- EVAPORATOR DESALINATION PLANT

Salah satu metode untuk desalinasi air ialah proses distilasi menggunakan multistage flash evaporator, seperti ditunjukkan pada gambar 1. Desalinasi adalah proses pemisahan yang digunakan untuk mengurangi kandungan garam terlarut dari brine hingga level tertentu sehingga air dapat digunakan. Produk proses desalinasi umumnya merupakan air dengan kandungan garam terlarut kurang dari 500 mg/l, yang dapat digunakan untuk keperluan domestik, industri, dan pertanian. Hasil sampingan dari proses desalinasi adalah brine. Brine adalah larutan garam berkonsentrasi tinggi (lebih dari 35000 mg/l garam terlarut).

Distilasi merupakan metode desalinasi yang paling lama dan paling umum digunakan. Distilasi adalah metode pemisahan dengan cara memanaskan air laut untuk menghasilkan uap air, yang selanjutnya dikondensasi untuk menghasilkan air bersih. Berbagai macam proses distilasi yang umum digunakan, seperti multistage flash, multiple effect distillation, dan vapor compression umumnya menggunakan prinsip mengurangi tekanan uap dari air agar pendidihan dapat terjadi pada temperatur yang lebih rendah, tanpa menggunakan panas tambahan.

Air laut mengalir melalui heat exchanger mengembunkan uap air menjadi freshwater, setelah pemanasan awal air laut pada kondenser, steam heater menaikkan temperatur air laut sampai batas maksimum yang diizinkan oleh limitasi korosi (120 ⁰C). Melalui throttling valve pertama sebagian hot brine akan menguap dan uap air ini terkondensasi pada tabung kondenser dan menetes kedalam freshwater collection pan. Brine dan fresh water dari stage pertama mengalir melalui katup penurun tekanan menuju stage selanjutnya.

Temperatur dalam stage dianggap sama dengan temperatur kondensasi dari uap, yang ditentukan oleh luasan dari heat-transfer masing-masing stage kondenser.

Throttling Valve

Throttling valves atau katup memperlambat/pembatas aliran adalah suatu perangkat yang menyebabkan penurunan tekanan yang signifikan dalam suatu fluida.

Proses throttling adalah proses enthalpi tetap. Pada proses ini fluida berekspansi dari tekanan tinggi ke tekanan yang bertemperatur jenuh lebih rendah sehingga terjadi perubahan fasa dan penurunan temperatur. Selain itu, katup throttling hanya menurunkan tekanan tanpa adanya kerja (work) yang dihasilkan. Karena pada prinsip kerja katup throttling bersifat volume atur (volume control) dan tanpa kerja yang dihasilkan sedikitpun. Sehingga, kerja yang dilakukan sangat kecil sehingga dapat diabaikan.

Katup throttling ini dapat dianggap abiabatik (Q=0). Karena pada katup throttling yang biasa digunakan adalah katup throttling kecil sehingga tidak ada cukup ruang dan waktu yang efektif untuk terjadinya perpindahan panas, sehingga perpindahan kalor yang melalui lubang katup throttling sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Perubahan energi potensial dan energi kinetic spesifik yang dihasilkan sangatlah kecil (∆EP ≈ 0 dan ∆EK ≈ 0 ).

Desain Data :
1.                  Umur instalasi 20 tahun, Interest rate 8 percent.
2.                  Biaya heat exchanger, $ 95/m² untuk kondensor dan brine heater
3.                  U untuk condenser dan brine heater 2800 W/m². K
4.                  Temperature air laut 15 ⁰ C.
5.                  Steam temperature dalam brine heater 150 ⁰ C
6.                  Maximum temperature brine keluar brine heater 120 ⁰C.
7.                  Harga steam brine heater $ 0,90 per gigajoule, harga tiap stage 12,000 $.
8.                  Asumsi thermal properties brine sama dengan pure water.

Assignment :

Menentukan jumlah stage optimum dan luas heat exchanger masing-masing kondenser untuk menghasilkan total biaya minimum selama 20 tahun desalinasi plant dengan kapasitas fresh water adalah 50 kg/s.

Diskusi :

          Pendekatan yang digunakan yaitu dengan menganggap bahwa stage yang digunakan ialah single-stage plant untuk memudahkan dalam menyusun persamaan termodinamika dan heat-transfer. Sebuah observasi menarik bahwa temperatur minimum stage adalah temperatur rata-rata air laut dan temperatur maksimum brine (15 + 120)/2 = 67.5 °C. Temperatur minimum ini terjadi pada luasan infinite kondenser. Luasan optimum kondenser terjadi pada temperatur dengan fraksi lebih dari 67.5 °C.
          Pada two-stage plant, luasan infinite pada dua kondenser dihasilkan pada temperatur stage antara 15 – 120 °C. Temperatur minimum pada stage pertama adalah 85°C dan pada stage kedua ialah 50°C.
          Air laut memiliki boiling point 108.7°C. Sehingga, pada saat keluar dari brine heater dengan temperatur 120°C brine water tidak mengalami perubahan fase. Oleh karena itu, pada kondisi ini berlaku persamaan Q = m cp ∆T.

Diagram Alir Penyelesaian