FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA

ANALISA LAJU PERPINDAHAN KALOR PADA KONDENSOR PERALATAN DESTILASI MINYAK ATSIRI ANTARA MENGGUNAKAN PIPA STAINLESS STEEL, PIPA ALUMUNIUM DAN PIPA TEMBAGA Tugas Akhir ini Disusun Sebagai Salah Satu Persyaratan Program Studi S1 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas MercuBuana

Disusun Oleh : JAMAL ARIS 01301-063

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2008

LEMBAR PERNYATAAN

Saya yang bertanda tangan dibawah ini : Nama

: Jamal Aris

Nim

: 01301-093

Jurusan

: Teknik Mesin

Fakultas

: Teknologi Industri

Judul Tugas Akhir

: Analisa Laju Perpindahan Kalor Pada Kondensor Peralatan Destilasi Minyak Atsiri Antara Menggunakan Pipa Stainless Steel, Pipa Alumunium dan Pipa Tembaga

Menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir ini Adalah benar hasil karya saya sendiri bukan salinan atau duplikat dari karya orang lain, kecuali kutipan-kutipan referensi yang telah disebutkan sumbernya Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya atas perhatiannya saya ucapkan Terima Kasih.

Jakarta 13 Maret 2008

Jamal Aris

‫ﺏ‬

LEMBAR PENGESAHAN

ANALISA LAJU PERPINDAHAN KALOR PADA KONDENSOR PERALATAN DESTILASI MINYAK ATSIRI ANTARA MENGGUNAKAN PIPA STAINLESS STEEL, PIPA ALUMUNIUM DAN PIPA TEMBAGA

Nama

: Jamal Aris

Nim

: 01301-063

Jurusan

: Teknik Mesin

Fakultas

: Teknologi Industri

Tugas ini telah diperiksa dan disetujui oleh: Mengetahui

Pembimbing 1

Pembimbing 2

(Prof. Dr. Chandrasa Soekardi)

( Nanang Ruhyat. ST.MT)

Koordinator Tugas Akhir

(Nanang Ruhyat. ST.MT) ‫ﺝ‬

KATA PENGANTAR Bismillahirrohmanirrohim Syukur alhamdilillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT Yang telah memberikan rahmat dan hidayahnya –Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini, serta tidak lupa salawat dan salam pada junjungan kita Nabi besar Muhammad SAW, beserta Keluarga, Sahabat, para pengikut beliau yang setia pada akhir jaman. Laporan tugas ini berawal dari pemikiran penulis tentang bagaimana cara meningkatkan produksi penyulingan minyak nilam pada home Industri sekala kecil/lab dan menengah, dan bagaimana cara meningkatkan kualitas dari minyak nilam tersebut, supaya bisa melakukan secara mudah dan ekonomis, Berdasarkan hal tersebut maka penulis coba melakukan perbandingan hasil pengujian terhadap beberapa jenis bentuk dan material pemindah kalor pada alat destilasi minyak pohon nilam. Dengan Pengetahuan yang penulis miliki dari Universitas Mercu Buana dan juga pengamatan penulis dari berbagai industri skala kecil, Penulis berharap hasil dari beberapa perbandingan hasil ppercobaan yang telah penulis lakukan nantinya dapat di aplikasikan pada industri kecil dan menengah, dan bermampaat bagi kalangan perkembangan usaha, sehingga dapat meningkatkan pendapatan dan kesejahtraan perusahaan. Penyusun menyadari tidak mungkin dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini tanpa adanya petunjuk, pengarahan, bimbingan serta dorongan semangat dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan Trimakasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Bapak dan Ibu tercinta dan Adik saya yang telah memberikan moril maupun material serta dorongan yang tak pernah pudar. 2. Bapak Ir. Yuriadi Kusuma. MSc selaku Dekan Fakultas Teknologi Industri. 3. Bapak Ir. Ruli Nutranta. MEng selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin. 4. Bapak Prof. Dr. Chandrasa Soekardi sebagai pembimbing 1 ‫ﺩ‬

5. Bapak Nanang Ruhyat. ST. MT Selaku dosen Pembimbing 2, sekaligus sebagai Koordinator Tugas Akhir ini. 6. Semua Dosen Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan ilmu dan pengetahuannya kepada. 7. Rekan kerja saya Rudi Tahiyan. ST dan Junni Karter. ST dalam pembuatan peralatan destilasi minyak atsiri dan sekaligus telah banyak membantu penyusunan tugas akhir ini. 8. Teman-teman Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Khususnya Angkatan 2001 Penulis menyadari dalam penyusunan Tugas Akhir ini masih banyak terdapat kekurangan dan keterbatasan pengetahuan yang penulis miliki, Oleh karna itu Kritik dan Saran sangat di harapkan untuk Penyempurnaan Tugas akhir ini dalam rangka mendapatkan hasil yang baik di masa-masa yang akan datang.

Jakarta 13 Maret 2008

Jamal Aris

‫ﻩ‬

Abstrak Minyak atsiri merupakan minyak yang diekstrak dari tanaman yang memiliki banyak kegunaan, terutama dalam industri farmasi, kosmetik, dan aroma terapi untuk kesehatan. Untuk itu perlu dikembangkan alat destilasi minyak atsiri agar minyak atsiri lebih memasyarakat dan sumber daya alam dalam bidang perkebunan dapat lebih termanfaatkan. Untuk tujuan tersebut di atas, maka dibuat alat destilasi minyak atsiri skala kecil/lab dan sekaligus menganalisa jenis material pipa kondensor yang mana nantinya lebih baik untuk digunakan, yang tujuannya untuk menghasilkan mutu minyak dengan kualitas baik. Air kondensat keluar, rata-rata setelah proses berlangsung selama lebih kurang satu jam tergantung dari jenis material kondensor yang digunakan. Perbandingan jumlah minyak yang dihasilkan dengan jumlah bahan baku sangat berbanding jauh, jika bahan baku yang didestilasikan sebanyak 2 (dua) kg, maka minyak yang dihasilkan hanya 40 x 10-3 m3 (40 ml). Dari hasil percobaan proses destilasi menggunakan tiga jenis material kondensor, maka diketahui kelebihan dan kekurangan dari masing-masing material. Kondensor bermaterial stainless steel menghasilkan kualitas minyak sangat baik akan tetapi aliran kondensat sangat lambat ini dikarenakan permukaan dinding dalam pipa yang kasar sehingga proses destilasi memakan waktu lama dan laju perpindahan kalor cukup baik, kondensor bermaterial alumunium dapat menghasilkan kualitas minyak cukup baik walaupun masih dibawah kualitas minyak yang dihasilkan dari kondensor stainless steel akan tetapi aliran kondensatnya cepat karena pipa alumunium memiliki dinding dalam dengan permukaan yang halus dan rata dan laju perpindahan kalornya cukup baik sedangkan pada kondensor bermaterial tembaga aliran kondensat sangat cepat dan laju perpindahan kalor cukup baik akan tetapi menghasilkan kualitas minyak kurang baik , ini dikarenakan minyak telah terkontaminasi dengan material kondensor sehingga minyak yang dihasilkan sedikit berbau tembaga.

‫ﻭ‬

Daftar Isi Halaman

LEMBAR PERNYATAAN

..................................................................

ii

LEMBAR PENGESAHAN

..................................................................

iii

..............................................................................

iv

......................................................................................................

vi

...................................................................................................

vii

Daftar Gambar ...........................................................................................

viii

Daftar Tabel

..............................................................................................

ix

Nomenklatur

.............................................................................................

x

KATA PENGANTAR Abstrak Daftar Isi

BAB I PENDAHULUAN

.........................................................................

1

I.1 Latar Belakang ...............................................................................

1

I.2 Tujuan ............................................................................................

1

I.3 Batasan Masalah

..........................................................................

2

I.4 Metodologi Penulisan ....................................................................

2

I.5 Sistematika Penulisan ....................................................................

4

BAB II DASAR TEORI

..........................................................................

5

II.1 Minyak Atsiri .............................................................................

5

II.2 Potensi Ekonomis Minyak Atsiri (Minyak Nilam) ....................

5

II.3 Perkembangan Ekspor Impor Dunia

9

.........................................

II.4 Metode – metode Destilasi Minyak Atsiri

................................

BAB III DESAIN TERMAL DAN PEMBUATAN ALAT

11

....................

15

III.1 DESAIN TERMAL .................................................................

15

III.1.1 Karakteristik Bahan

........................................................

15

III.1.2 Kesetibangan Massa

........................................................

16

III.1.3 Kesetimbangan Kalor ........................................................

16

III.1.3.1 Kalor Yang Dilepaskan Uap Air

............................ 16

III.1.3.2 Kalor Yang Dibutuhkan untuk Menguapkan Air dan Rendemen dalan Bahan

.................................. 17 ‫ﺡ‬

III.1.3.3 Jumlah Uap Air yang Dibutuhkan per Kilogram Bahan Kering

........................................................

17

...................................................................

17

III.1.4.1 Kontruksi Ketel .....................................................

17

III.1.4.2 Penentuan Luas Area Perpindahan Kalor Ketel .....

18

III.1.4 Desain Ketel

III.1.5 Tebal Isolasi

..................................................................

III.1.6 Desain Kondensor (Satainless Steel) III.1.6.1 Kontruksi Kondensor

20

.............................

23

...........................................

23

III.1.6.2 Menghitung Luasan Perpindahan Kalor Kondensor

............................................................

23

...........................................................

29

III.2 PEMBUATAN ALAT

III.2.1 Komponen – komponen Utama Alat

..............................

III.2.2 Komponen – komponen Pendukung Alat

29

.......................

33

...................................

36

...........................................................

36

IV.1.1 Sumber Kalor ....................................................................

36

BAB IV PROSES DESTILASI DAN ANALISA IV.1 PROSES DESTILASI

IV.1.1.1 Minyak Tanah IV.1.2 Bahan Destilasi

........................................................

36

................................................................ 36

IV 1.3 Langkah – langkah Proses Destilasi ................................ IV.1.3.1 Persiapan Alat

........................................................

IV 1.3.2 Proses Pendidihan Air

37 37

............................................

38

IV.1.3.3 Proses Kondensasi ..................................................

38

IV.1.3.4 Proses Penampungan Kondensat

............................ 39

IV.1.3.5 Proses Pengambilan Minyak .................................... 39 IV.1.4 Proses Pengambilan Data Operasi .................................... 40 IV.1 5 Data Proses Destilasi ......................................................... 42 IV.2 ANALISA ................................................................................. 44 IV.2.1 Proses Desain Alat ............................................................ 44 IV.2.2 Pembuatan Alat ................................................................ 44 IV 2.3 Proses Destilasi Minyak Atsiri .......................................... 45 IV.2.4 Hasil Destilasi Minyak Atsiri ............................................ 45 ‫ﻁ‬

IV.2.5 Perhitungan Ekonomis ..................................................... BAB V PENUTUP

48

..................................................................................... 50

V.1 Kesimpulan ................................................................................

50

V.2 Saran ........................................................................................... 51 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

................................................................................. 52

................................................................................................ 53

Daftar Gambar

‫ﻱ‬

Halaman Gambar 2.1 Tanaman Nilam ........................................................................

8

Gambar 2.2 Nilam Kering .............................................................................

8

Gambar 3.1 Ketel Uap

................................................................................

29

Gambar 3.2 Tangki Bahan Baku ..................................................................

30

Gambar 3.3 Penutup Ketel Uap ....................................................................

30

Gambar 3.4 Pipa Ketel Uap – Kondensor

31

Gambar 3.5 Tube Kondensor

..................................................

...................................................................... 31

Gambar 3.6 Tangki Kondensor

................................................................... 32

Gambar 3.7 Pemisah Air – Minyak Sederhana ............................................

32

Gambar3.8 Nepel sok ¾”, Water Mur ¾”, Double Nepel ¾”, Knee derat ¾”

..........................................................................

34

Gambar 3.9 Thacometer ............................................................................... 35 Gambar 4.1 Penampung Kondensat

............................................................ 39

Gambar 4.2 Minyak Hasil Destilasi

............................................................ 40

Daftar Tabel

‫ﻙ‬

Halaman Tabel 2.1

Contoh hasil minyak nilam yang dihasilkan oleh pabrik Destilasi di desa Cikondang, Majalengka .............................

Tabel 2.2

Trend impor dan ekspor negara – negara terbesar di Dunia .......................................................................................

Tabel 2.3

10

Negara – negara pengimpor terbesar di dunia pada tahun 2002 .............................................................................

Tabel 2.4

8

10

Negara – negara pengeskpor terbesar di dunia pada tahun 2002 ..............................................................................

11

Tabel 3.1

Karakteristik bahan

...............................................................

15

Tabel 3.2

Kesetimbangan Massa .............................................................

17

Tabel 3.3 Hasil Perhitungan

...................................................................

28

Tabel 4.1

Percobaan 1 ..............................................................................

42

Tabel 4.2

Percobaan 2 ..............................................................................

42

Tabel 4.3

Kenaikan Suhu Air Destilasi dalam Ketel terhadap Waktu (Bahan Bakar Minyak Tanah, dengan Isolasi)

Tabel 4.4

Perbandingan percobaan 1 dan 2

.....................

43

..........................................

45

NOMENKLATUR ‫ﻝ‬

Simbol Ao

Keterangan Luasan permukaan pipa bagian luar

Ai

Luasan permukaan pipa bagian dalam

Cl

Kalor spesifik zat cair jenuh

Satuan m² m² J/kg.°C

C, m

Konstanta untuk permukaan isothermal

-

C sf

Konstanta gabungan fluida-permukaan

-

g

Gr f

Percepatan grafitasi Bilangan Grashof (pada kondisi film)

m/s² -

h ho

Koefisien kondensasi rata-rata Koefisien perpindahan kalor konveksi

W/m².°C W/m².°C

hi

Koefisien perpindahan kalor kondensasi

W/m².°C

h fg

Enthalpy penguapan

k L Nu f

Konduksi fluida jenuh Panjang pipa Bilangan Nusselt (pada kondisi suhu film)

Pl

Tekanan zat cair

Pr l

Angka prandtl

Pv

Tekanan uap di dalam gelembung

q/ A

Fluks kalor per satuan luas

J/kg W/m².°C m Pa Pa W/m²

ro

Jari-jari luar pipa

m

ri

Jari-jari dalam pipa

m

Ra Rf to

Bilangan Rayleigh Tahanan pengotoran Suhu air pendingin keluar

°C

ti

Suhu air pendingin masuk

°C

Tf

Suhu dievaluasi pada kondisi film

°C

Ts

Suhu permukaan solid

°C

ts

Suhu uap jenuh

°C

Tsat

Suhu jenuh

°C

Tw

Suhu dinding

°C

T¥

Suhu dievaluasi pada kondisi arus bebas

°C

‫ﻡ‬

Uo

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh

W/m².°C

DTe

Excess temperature

°C

DTm

Beda suhu rata-rata logaritmik

°C

Dx

ml

Tebal dinding Viskositas zat cair

m kg/m.s

rl

Densitas zat cair jenuh

kg/m³

rn

Densitas uap jenuh

kg/m³

‫ﻥ‬

Tugas Akhir

BAB I PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang Dalam industri makanan dan minuman, wewangian serta obat-obatan memerlukan minyak atsiri sebagai bahan pencampur yang terus berkembang penggunaannya, sejalan dengan meningkatnya industri-industri tersebut di atas. Indonesia merupakan Negara yang subur dan banyak tempat yang cocok untuk membudidayakan tanaman yang dapat menghasilkan minyak atsiri. Minyak atsiri kurang dikenal secara luas penggunaannya, manfaat dan juga nilai ekonomisnya. Oleh karena itu penanaman dan pengolahannya masih terkonsentrasi di beberapa daerah yang masih meliputi kelompok-kelompok tani. Industri minyak atsiri di Indonesia masih dilakukan oleh pengusahapengusaha yang memiliki modal besar, karena proses destilasi minyak atsiri yang memerlukan alat destilasi dengan harga yang sangat mahal, sehingga minyak atsiri belum menjadi industri rumah tangga dengan skala produksi kecil. Untuk itu perlu dikembangkan alat destilasi yang lebih murah yang terjangkau oleh industri rumah tangga dan dapat menghasilkan keuntungan bagi pengusahanya, sehingga industri minyak atsiri dapat lebih memasyarakat agar sumber daya alam khususnya bidang perkebunan dapat dimanfaatkan secara optimal dan juga dapat menjadi lapangan pekerjaan baru yang menyerap sumber daya manusia.

I.2 Tujuan Tujuan dari perbandingan material pipa kondensor alat destilasi minyak atsiri adalah : •

Membuat perbandingan material pada pipa kondensor alat destilasi minyak atsiri skala laboratorium yang dapat menjadi acuan dasar untuk pembuatan alat destilasi minyak atsiri yang lebih besar.

Universitas Mercu Buana

1

Tugas Akhir

•

Memproduksi alat destilasi yang dapat terjangkau oleh masyarakat.

•

Meminimalisasi kerugian kalor yang terjadi selama proses destilasi.

I.3 Batasan Masalah Proses perbandingan material pipa kondensor alat destilasi minyak atsisri ini dilakukan dengan batasan masalah berdasarkan pada kondisi sebagai berikut : •

Proses destilasi yang digunakan adalah menggunakan media air dan uap.

•

Tekanan yang digunakan adalah tekanan 0 gauge

•

Bahan acuan yang akan didestilasikan menggunakan nilam kering.

•

Uap yang berada di dalam tube kondensor dianggap uap air jenuh, karena perbandingan antara uap minyak dengan uap air sangat kecil.

•

Kandungan minyak dianggap tersebar merata pada bahan.

I.4 Metodologi Penulisan Dalam melakukan perbandingan material pipa kondensor ini, yang dilakukan adalah literature tentang minyak atsiri, metode destilasi dan karakteristik serta komponen-komponen yang terdapat pada minyak atsiri maupun bahan yang mengandung minyak atsiri tersebut. Membuat pipa kondensor dengan material yang berbeda yaitu dengan menggunakan pipa stainless steel, pipa alumunium dan pipa tembaga. Menghitung kesetimbangan kalor dan massa dari proses destilasi dengan metode air dan uap, lalu mencari luasan pemanas ketel yang di perlukan untuk menghasilkan uap yang dibutuhkan

dalam proses destilasi dan juga

mencari luasan pipa kondensor yang diperlukan untuk mengkondensasikan uap yang terbentuk dalam proses destilasi. Selanjutnya seperti yang terlihat pada bagan gambar berikut :


2

Tugas Akhir

FLOW CHART PERANCANGAN


3

Tugas Akhir

I.5 Sistematika Penulisan

BAB I PENDAHULUAN Bab ini berisi tentang latar belakang desain, tujuan, batasan masalah, metodologi penulisan serta sitematika penulisan.

BAB II DASAR TEORI Bab ini memuat tentang material pipa kondensor yang digunakan dan metodemetode destilasi.

BAB III PROSES DESTILASI DAN ANALISA Bab ini membahas dan menganalisa perbandingan material pipa kondensor alat destilasi dan proses destilasi serta perhitungan ekonomis material.

BAB IV PENGUJIAN PERBANDINGAN MATERIAL Bab ini membahas tentang tahapan-tahapan dalam proses pengujian material dan menjelaskan tentang efisiensi perbedaan material.

BAB V KESIMPULAN Bab ini memuat kesimpulan yang diperoleh setelah melakukan proses perbandingan material pipa kondensor

dan menganalisa hasil destilasi

tersebut.


4

Tugas Akhir

BAB II LANDASAN TEORI

II.1

Metode – Metode Destilasi Minyak Atsiri Metode-metode destilasi di bawah ini sudah lama dilakukan pada pabrik-

pabrik destilasi minyak atsiri di Indonesia, di antaranya yaitu :

a. Metode Destilasi Air dan Uap Salah satu keuntungan yang dimiliki destilasi air dan uap dibandingkan dengan destilasi uap langsung adalah karena kemungkinan terbentuknya jalur uap di dalam ketel semakin kecil. Uap terbentuk di atas permukaan air, sehingga uap tersebut berpenetrasi melalui bahan secara merata. Selama permulaan tahun-tahun produksi sereh wangi di Pulau Jawa, destilasi dilakukan dengan uap langsung, tetapi setelah tahun 1910 pada masapenduduk pribumi dan Cina mulai berkecimpung di bidang industri, mulai diperkenalkan proses destilasi air dan uap. Tipe ketel ini lebih murah dan prosesnya sendiri lebih sedehana. Pengoperasian ketel ini relatf ekonomis dan tidak perlu menggunakan ketel uap. Ketel suling air dan uap ditempatkan di atas dapur yang terbuat dari bahan tahan api, dan ketel yang dilengkapi dengan saringan (grid) ini sebagai penyangga bahan olah. Air yang terdapat di bawah grid dipanaskan dengan api langsung. Ketel ini juga dilengkapi pula dengan satu lubang pada bagian samping untuk memudahkan pengisian bahan dan mengeluarkan ampas. Bahan diisikan ke dalam ketel sampai mampat untuk mencegah timbulnya jalur uap. Volume bahan berkurang selama proses destilasi. Di antara dinding ketel dan isi ketel atau bahan olah, terutama pada ketel yang tidak diberi insulasi akan terjadi kondensasi internal, dan kondensatnya yang mengandung zat-zat ekstraksif non volatif berwarna gelap ditampung di bawah grid pada dasar ketel dan dikumpulkan


5

Tugas Akhir

setelah beberapa proses destilasi. Selanjutnya dianjurkan untuk membuang air dalam ketel (dibawah grid) setelah setiap partai bahan didestilasi kemudian diganti dengan air yang segar untuk proses destilasi berikutnya. Masing-masing pada sistem destilasi air dan uap membutuhkan sumber air yang terpisah. Oleh karena iti jumlah pemakaian bahan bakar relative lebih besar dari pada menggunakan satu ketel uap yang mensuplai uap untuk seluruh ketel. Detilasi air dan uap (dengan api langsung) dapat direkomendasikan bahan yang didestilasikan per hari jumlahnya cukup kecil. Detilasi dalam ketel berukuran sangat besar dengan sistem air dan uap, dimana uap harus berpenetrasi jauh ke seluruh bagian daun tidak akan menghasilkan rendemen minyak yang lebih tinggi disbanding dengan penyulingan uap langsung.

b. Destilasi di dalam godokan Sistem destilasi di dalam godokan merupakan modifikasi dari destilasi air dan uap. Dapur api dan ketel air (water boiler) letaknya terpisah dari ketel destilasi. Kapasitas godokan bervariasi antara 400 sampai 4000 kg rumpun. Ketel destilasi yang memuat lebih dari 1500 kg daun bersifat kurang ekonomis dibanding dengan ketel yang memuat 1000 sampai 2000 kg bahan olah. Ketelketel destilasi ukuran kecil membutuhkan waktu destilasi lebih singkat. Pada prakteknya destilasi suatu partai bahan seberat 1000 sampai 1200 kg dilakukan selama 5 sampai 6 jam, meskipun destilasi dengan laju uap tinggi.

c. Destilasi dengan Uap Langsung Destilasi dengan uap langsung, uap dihasilkan dala ketel uap terpisah yang dipanasi dengan kayu bakar. Dalam hal tekanan uap yang dipanaskan, dahulu orang yakin bahwa tekanan uap tinggi memberikan hasil paling baik, misalnya dengan penggunaan tekanan uap 3 sampai 4 atmosfer (diukur dalam ketel uap), tetapi akhirnya para produsen menemukan kenyataan bahwa tekanan tinggi itu memang akan menghasilkan rendemen minyak lebih besar, tetapi menurunkan mutu minyak. Sebagai pengganti tekanan 3 sampai 4 atmosfer, dianjurkan uap bertekanan 1 sampai 2 atmosfer atau ½ sampai 1atmosfer (di atas tekana atmosfer


6

Tugas Akhir

biasa). Kerugian akibat rendemen minyak yang rendah karena penggunaan uap rendah dan menghasilkan mutu minyak yang cukup baik ternyata lebih besar dari pada dengan penggunaan tekanan uap tinggi yang akan menghasilkan mutu minyak yang kurang baik. Oleh karena itu, beberapa buah pabrik destilasi masih lebih cenderung untuk menghasilkan rendemen minyak yang tinggi dari pada minyak bermutu tinggi, dengan cara menerapkan tekanan uap tinggi, atau memperlama periode destilasi. Jika destilasi dilanjutkan dalam waktu yang cukup lama, maka seluruh minyak atsiri yang terdapat di dalam akan terdestilasi, tetapi minyak yang dihasilkan mengandung unsur yang bernilai dalam jumlah kecil. Berdasarkan pengalaman selama bertahun-tahun, akhirnya para produsen mengetahui bahwa minyak bermutu baik dapat diperoleh dengan cara destilasi uap pada tekanan normal dan dengan membatasi proses destilasi. Kini, ketel destilasi uap yang memuat 1000 sampai 1200 kg daun dapat didestilasi dengan tekanan uap ½ sapai 1 atmosfer (di atas tekanan atmosfer, diukur dalam ketel uap), dan lama proses destilasi tidak lebih dari 3 jam. Lama destilasi tidak hanya tergantung pada tekanan uap, namun juga terhadap factor-faktor lain seperti kondisi (kadar air) bahan olah. Uap harus dapat berpenetrasi melalui seluruh bagian bahan olah dengan tekanan yang cukup, jika tidak demikian, maka tidak akan berlangsung proses destilasi yang sempurna. Di lain pihak, bila uap bergerak melalui bahan, akan dapat membentuk jalur uap. Pada umumnya, tekanan uap dalam ketel destilasi tidak bole terlalu tinggi dengan alas an pertama, karena kebanyakan ketel destilasi tidak dapat dirancang untuk tahan pada tekanan uap tinggi ; kedua, karena minyak mengalami dekomposisi pada suhu tinggi, sebagaimana halnya komponen berbau wangi yang kontak terlalu lama dengan uap.


7

Tugas Akhir

II.2 Macam – macam Alat Penukar Kalor atau Kondensor a. Penukar Kalor Pipa Ganda penukar kalor jenis pipa gand merupakan susunan dari dua pipa koaksial, di mana refrigeran melalui saluran yang terbentuk antera pipa dalam dan pipa luar dari atas ke bawah. Penukar pipa ganda menggunakan sealiran-searah atau aliran lawan-arah, baik dengan zat cair panas maupun zat cair dingin terdapat dalam ruang annulus dan zat cair yang lain di dalam pipa-dalam.

Gambar 2.1 Penukar Kalor Pipa Ganda

b. Penukar Kalor Selongsong dan Tabung Jenis penukar kalor ini bayak dipakai dalam industri kimia ialah. Suatu fluida menglir di dalam tabung, sedang fluida yang satu lagi dialirkan melalui selongsong melintasi luar tabung. Untuk menjamin bahwa fluida di sebelah selongsong mengalir melintasi tabung dan dengan demikian menyebabkan perpindahan kalor lebih tinggi, maka di dalam selongsong itu dipasangkan sekatsekat (baffles) seperti terlihat pada gambar. Bergantung pada kontruksi bagian kepala yang terletak di ujung penukar kalor, dapatlah digunakan satu atau dua lintas dalam tabung. Penukar kalor ini terdapat banyak pipa pendingin, di mana air pendingin mengalir di dalam pipa-pipa tersebut. Air pendingin masuk dari bagian bawah, kemudian masuk ke dalam pipa-pipa pendingin dan keluar pada bagian atas. Jumlah saluran maksimum yang biasa digunakan adalah 12. Tahan aliran air pendingin di dalam pipa bertambah besar dengan bertambahnya jumlah saluran.


8

Tugas Akhir

Gambar 2.2 Penukar Kalor Selongsong dan Tabung

c. Penukar Kalor Arus Silang Penukar kalor aliran silang banyak dipakai dalam pemanasan dan pendinginan udara atau gas, dimana gas dialirkan menyilang berkas tabung, sedang fluida lain digunakan didalam tabung untuk memanaskan atau mendinginkan. Dalam penukar kalor ini, fluida yang mengalir melintas tabung disebut arus campur (mixed stream), sedang fluida di dalam tabung disebut arus takcampur (unmixed). Gas itu dinyatakan bercampur karena dapat bergerak dendan bebas di dalam alat itu sambil menukar kalorl. Fluida yang satu lagi terkurung di dalam tabung saluran penukar kalor dan tidak dapar bercampur selama proses perpindahan kalor.

Gambar 2.3 Penukar Kalor Arus Silang


9

Tugas Akhir

d. Penukar Kalor Aliran Silang Dalam hal ini gas mengalir melintas berkas tabung bersirip dan karena terkurung di dalam saluran-saluran di antara sirip-sirip, tidak bercampur pada waktu mengalir melalui penukar kalor. Penukar kalor jenis ini merupakan jenis yang khas dipakai dalam penyejuk udara.

Gambar 2.4 Penukar Kalor Aliran Silang

Jika fluida takcampur, terdapat gradien suhu pada arah sejajar dengan aliran maupun arah normal terhadap aliran, sedang jika fluida campur terdapat kecenderungan untuk suhu itu menjadi sama pada arah normal terhadap aliran, sebagai akibat dari pencampuran, dimana diandaikan bahwa gas itu dipanaskan pada waktu mengalir melalui penukar kalor. Kenyataan bahwa fluida campur atau tak tercampur mempengaruhi perpindahan kalor di dalam penukar kalor karena perpindahan.

e. Penukar Kalor Tabung dan Koil Penukar kalor tabung dan koil banyak dipergunakan pada unit dengan Freon sebagai refrigeran berkapasitas relatif kecil, misalnya penyegar udara jenis paket, pendingin air dan sebagainya. Koil pipa pendingin tersebut biasanya di buat dari tembaga, tanpa sirip atau dengan sirip. Pipa tersebut mdah dibuat dan murah


10

Tugas Akhir

harganya. Pada penukar kalor ini, air mengalir di dalam koil pipa pendingin. Endapan dan kerak yang terbentuk di dalam pipa harus dibersihkan dengan mempergunakan zat kimia (deterjen). Ciri-ciri penukar kalor tabung dan koil adalah sebagai berikut : 1. Harganya murah karena mudah pembuatannya. 2. Kompak karena posisinya yang vertikal dan mudah pemasangannya. 3. Boleh dikatakan tidak mungkin mengganti pipa pendingin, sedangkan pembersihannya harus dilakukan dengan menggunakan deterjen.

Gambar 2.5 Penukar Kalor Tabung dan Koil f. Penukar Kalor Jenis Koil Pipa Penukar kalor ini terdiri dari koil pipa yang biasanya terbuat dari alumunium, tembaga atau stainless steel. Kondesat mengalir searah di dalam koil pipa sedangkan air pendingin di luar koil pipa. Kontruksi penukar kalor ini sangat sederhana, mudah pembuatannya dan murah harganya juga dapat dipasang dimana saja. Penukar kalor dapat berfungsi ganda tergantung pada kontruksi peralatan yang akan dibuat, dapat berfungsi sebagai pemanas diperlatan seperti pemanas air dan bisa berfungsi pendingin seperti pada peralatan penyulingan atau destilasi.


11

Tugas Akhir

Ciri-ciri penukar kalor ini adalah : 1. Dapat dipasang dimana saja dan mudah pemasangannya. 2. Murah harganya karena kontruksinya sederhana. 3. Mudah perawatannya. Jenis penukar kalor inilah yang akan digunakan pada peralatan destilasi yang akan dirancang dan dibuat. Saluran masuk kondensat akan dihubungkan oelh pipa penghubung ke ketel uap.

Gambar 2.6 Penukar kalor Koil Pipa


12

Tugas Akhir

BAB III PROSES DESTILASI DAN ANALISA

III.1 PROSES DESTILASI III.1.1 Sumber Kalor Untuk melakukan destilasi dengan metode uap dan air diperlukan sumber kalor untuk mendidihkan air dan menguapkannya. Pada pengujian alat destilasi minyak atsisi ini digunakan bahan bakar minyak tanah untuk mengubah air dalam ketel menjadi uap dengan jumlah yang telah diperkirakan sebelumnya dalam proses desain alat.

III. 1.1.1 Minyak Tanah Minyak tanah merupakan bahan bakar yang cukup banyak digunakan oleh masyarakat karena cukup praktis penggunaannya dengan memakai kompor sumbu, dan harganya lebih murah dibanding bahan bakar minyak lainnya atau gas elpiji. Walaupun pada saat-saat ini harganya cenderung naik. Dengan menggunakan kompor, nyala api pada proses destilasi dapat dikontrol besar kecilnya dan cukup stabil penyalaannya dibanding briket batu bara, embuataserta sewaktu-waktu dapat dimatikan dan dinyalakan kembali dengan cepat. Dengan cenderung menaiknya harga bahan bakar minyak sangat berpengaruh terhadap dunia industri, terutama yang berskala besar. Oleh karena itu, perlu dipertimbangkan penggunaannya berdasarkan besar kecilnya proses yang berlangsung.

III. 1.2 Bahan Destilasi Bahan destilasi yang digunakan berupa daun nilam kering dan juga termasuk batangnya dengan komposisi yang lebih sedikit. Untuk bahan yang


13

Tugas Akhir

berupa rumput-rumputan harus diberikan proses awal yaitu pemotongan bahan menjadi ukuran kecil agar bahan dapat masuk ke dalam tangki bahan lebih optimal tanpa membentuk rongga-rongga yang cukup besar sehingga uap dapat berpenetrasi ke dalam bahan lebih lama. Untuk bahan yang dapat didestilasi dalam kondisi kering, dilakukan proses pengeringan dengan menjemur bahan di bawah sinar matahari dalam waktu yang tidak terlalu lama (sinar matahari di bawah jam 12 siang) atau dengan menggunakan alat pengering agar kadar air yang terdapat di dalamnya berkurang, sehingga uap akan lebih menyerap ke dalam daun.

III. 1.3 Langkah – langkah Proses Destilasi Sebelum melakukan proses destilasi, terlebih dahulu harus dipersiapkan peralatan-peralatan terutama untuk mengalirkan air pendingin dari sumbernya dan juga pembuangan air pendingin. Untuk itu hal-hal yang perlu diperhatikan yaitu :

III.1.3.1 Persiapan Alat

a. Tempat Alat destilasi sedapat mungkin diletakkan pada tempat yang dekat dengan sumber air dan saluran pembuangan air pendingin serta terlindung dari hujan dan angin agar proses destilasi tidak terganggu.

b. Mengisi Air Destilasi Air destilasi diisi ke dalam ketel sampai batas yang ada pada dinding ketel. Apabila air destilasi diisi melampaui batas tersebut, maka akan memperlama proses penguapan dan air akan mengenai bahan yang berada pada dasar tangki bahan.


14

Tugas Akhir

c. Memasukkan Bahan. Bahan dimasukkan ke dalam tangki bahan dengan terlebih dahulu menimbangnya dan kemudian tidak menekan terlalu padat agar uap dapat berpenetrasi dengan baik. Kemudian setelah dimasukkan ke dalam tangki bahan, tangki bahan tersebut dimasukkan ke dalam ketel uap dan ditutup rapat serta menguncinya dengan mur-baut sampai benar-benar kencang agar uap tidak keluar dari ketel ke linkungan.

d. Mengatur Posisi Ketel Uap dengan Kondensor Setelah tutup ketel dikunci dengan mur-baut sampai rapat, ketel diletakkan di atas sumber kalor, contohnya di atas kompor, dengan mengatur posisinya dengan kondensor agar pipa uap dari ketel ke kondensor dapat dipasang dengan baik. Setelah dipengaturan posisi ketel dilakukan, maka sumber kalor dinyalakan untuk memanaskan ketel.

e. Memasang Pipa Uap Ketel – Kondensor Pipa uap ketel-kondensor dipasang pada sisi keluar uap di atas tutup ketel dan pada sisi masuk uap ke kondensor. Pada kedua ujung dari pipa uap ketelkondensor, sebelum dikencangkan derat water mur harus diberi seal tape.

f. Memasukan Air Pendingin Ke Dalam Tangki Kondensor Setelah pipa uap ketel-kondensor dipasang, air pendingin dimasukkan ke dalam tangki kondensor sampai seluruh tube kondensor terendam air. Sedangankan pada bagian keluar air pendingin dipasang kran. Pada saat ini kran untuk keluar air pendingin ditutup dahulu sampai air pendingin tiba saatnya untuk diganti.

III.1.3.2 Proses Pendidihan Air Dalam proses pendidihan air dalam ketel berlangsung kurang lebih 50-60 menit dengan api kompor yang stabil. Tekanan dalam ketel yang digunakan pada


15

Tugas Akhir

proses ini adalah 0 gauge, sehingga air dalam ketel diharapkan akan mendidih pada suhu 100°C.

III.1.3.3 Proses Kondensasi Proses kondensasi terjadi setelah proses destilasi berlanngsung kurang lebih selama 1 jam. Indikasi jika kan terjadi proses kondensasi yaitu apabila sudah terjadi perpindahan kalor dari tube kondensor ke air pendingin dengan terlihatnya kenaikan suhu pada alat pengukur suhu. Apabila terjadi kenaikan suhu air pendingin yang cukup tinggi, maka air pendingin harus diganti.

III.1.3.4 Proses Penampungan Kondensat Setelah terjadi proses kondensasi dengan menetesnya air kondensat ke dalam alat penampung, maka kondensat tersebut semakin lama memenuhi alat penampung dan terlihat pemisahan antara minyak dan air karena adanya perbedaan massa jenis. Minyak dengan massa jenis yang lebih kecil dari massa jenis air berada di atas dan komponen-komponen lain yang ikut terdestilasi dengan massa jenis yang lebih besar dari air akan turun ke dasar penampung. Untuk destilasi daun nilam kering, terlihat pada hasil kondensat di atas air, pada kondisi normal, semakin lama terlihat berwarna kuning kecoklatan dan menimbulkan wangi aroma yang khas. Metode penampungan terdapat beberapa jenis, di antaranya yaitu dengan alat penampung yang pada bagian atasnya memiliki saluran untuk mengalirkan minyak yang sudah terkumpul di atas air langsung ke tempat penampungan yang berbeda apabila tinggi kondensat sudah mencapai sisi keluar saluran tersebut. Metode yang lain yaitu dengan membiarkan minyak terkumpul di atas air dalam alat penampung sampai proses destilasi selesai, kemudian kondesat dituangkan ke pemisah air dan minyak.


16

Tugas Akhir

Gambar 3.1 Penampung Air Kondensat

III.1.3.5 Proses Pengambilan Minyak Setelah kondensat sudah berada dalam alat penampung sampai proses destilasi selesai, minyak yang berada di atas air dikeluarkan dengan menggunakan pipet ukur untuk dipindahkan ke dalam wadah sempel sambil mengukur volume minyak yang dipindahkan.

Gambar 3.2 Minyak Hasil Destilasi


17

Tugas Akhir

III.1.4 Proses Pengambilan Data Operasi Untuk mengetahui kondisi kerja alat destilasi minyak atsiri, maka dilakukan percobaan-percobaan untuk mengambil data-data operasi yang akan memberikan gambaran kinerja alat tersebut . Parameter-parameter yang diambil dalam percobaan yaitu :

a. Air Destilasi Awal dan Akhir Pada awal proses destilasi, air destilasi dalam ketel diukur ketinggiannya dari dasar ketel dan begitu juga setelah proses destilasi selesai. Ketinggian air destilasi yang diukur dikonversi menjadi besaran volume dalam satuan liter.

b. Waktu Proses Destilasi Waktu proses destilasi didapatkan dengan mencatat jam pada saat proses destilasi dimulai dan juga pada saat proses destilasi selesai.

c. Berat Bahan Sebelum melakukan proses destilasi terlebih dahulu bahan ditimbang untuk mengetahui jumlah bahan yang akan dimasukkan ke dalam tangki bahan.

d. Jumlah Bahan Bakar Jumlah bahan bakar diketahui dengan mengukur tingi minyak tanah dari dasar penampung pada saat awal dan akhir proses destilasi, kemudian dengan mengetahui diameter penampung dapat diketahui volume minyak tanah dalam penampung.

e. Suhu Lingkungan Suhu lingkungan diukur di sekitar alat destilasi.

f. Suhu Air Destilasi Suhu air destilasi diukur sebelum dilakukan proses pemanasan.


18

Tugas Akhir

g. Laju Aliran Air Pendingin Laju aliran air pendingin diukur dengan menghitung jumlah volume air dalam liter yang keluar dari tangki kondensor dan ditampung dalam wadah takaran per satuan waktu, sehingga akan didapat laju aliran air pendingin dalam liter/jam.

h. Laju Air Kondensat Laju air kondensat diukur pada saat uap air dan minyak mulai terkondensasi dengan mencatat kenaikan kondensat pada alat penampung sampai batas tertentu dan mencatat lamanya waktu yang diperlukan dalam proses tersebut. Ketika kondensat yang dihasilkan tidak mengalami kenaikan lagi dalam alat penampung/sudah mencapai level konstan, maka laju air diukur pada saat kondisi tersebut tercapai sampai selesai proses destilasi dengan menghitung banyaknya air kondensat dalam ember yang keluar dari alat penampung selama proses tersebut berlangsung.

i. Jumlah Minyak yang Dihasilkan Minyak diambil dalam alat penampung dengan menggunakan pipet sambil mengukur volumenya dan kemudian dimasukkan ke dalam wadah sampel.

j. Jumlah Rendemen Jumlah rendemen didapat berdasarkan jumlah minyak yang dihasilkan dari proses destilasi dibagi dengan banyaknya bahan yang akan didestilasi dalam satuan liter/kg atau ml/g dan dinyatakan dalam persen.

III.1.5 Data Pengujian Proses Destilasi Kenaikan Suhu Air Destilasi dalam Ketel dengan Bahan Bakar Minyak Tanah (dengan isolasi karet dan glass wool ). Kenaikan suhu air destilasi dalam ketel diukur dengan kondisi : •

Jumlah air destilasi

= 7.4 liter

•

Suhu lingkungan

= 25°C


19

Tugas Akhir

•

Pemakaian minyak tanah

= 0.36 liter

Tabel 3.1 Kenaikan Suhu Air Destilasi dalam Ketel terhadap waktu (Bahan Bakar Minyak Tanah, dengan isolasi) Menit Ke 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Suhu Air Destilasi (°C) 23 35 45 54 64 74 81 88 94 97 97 98 97 96 96 96 96 96 96 96 96

III.2 ANALISA III.2.1 Proses Desain Alat Dalam melakukan proses desain, data-data mengenai properties bahan, baik bahah baku destilasi maupun pembuatan alat diasumsikan dengan referensi yang mungkin mendekati properties bahan sebenarnya, sehingga dalam perhitungan desain dimasukkan faktor koreksi untuk menghindari hasil yang berada di bawah spesifikasi yang dibutuhkan. Rumus-rumus yang digunakan juga merupakan rumus-rumus empiris dari buku-buku referensi yang dapat menyatakan suatu proses perpindahan kalor dalam kondisi tertentu yang mendekati kondisi operasi alat yang akan dibuat.


20

Tugas Akhir

III.2.2 Pembuatan Alat Ketel yang dibuat menggunakan bahan alumunium, sehingga tidak memakai las untuk menyambung pelat melainkan dengan melipat pelat yang disambung kemudian dipress. Oleh karena itu tekanan operasi yang digunakan adalah 0 gauge, karena apabila terdapat tekanan yang cukup besar dalam ketel, diperkirakan akan terjadi kebocoran pada lipatan-lipatan sambungan pada ketel. Kebocoran-kebocoran pada alat terjadi karena tidak rapatnya sambungansambungan yang terdapat pada pipa, khususnya pada tube kondensor karena sambungan pada pipa tersebut dilekatkan dengan lem dan ditutupi dengan alumunium foil. Selain itu kebocoran juga dapat terjadi pada lipatan-lipatan yang kurang rapat, sehingga untuk mengantusipasinya digunakan lem perapat pada bagian-bagian yang mungkin terjadi kebocoran. Pembuatan Tube kondensor dari stainless steel

dan alumunium tidak

dapat dilakukan proses rol karena ukuran diameter pipa ½ inchi dan diameter lengkung kurang dari 17 cm, sehingga harus dilakukan penyambungan dengan elbow untuk membentuk pipa berliku-liku dalam arah vertikal. Stainless steel dan alumunium tidak mudah teroksidasi sehingga cenderung lebih tahan lama dan tidak mempengaruhi kondisi fisik minyak yang dikondensasi. Penggunaan tube kondenser dari tembaga memungkinkan untuk mendapatkan luasan perpindahan kalor yang lebih besar, Karena tube tembaga dapat dibentuk menjadi helical tube sehingga ruangan dalam tangki kondensor dapat dimamfaatkan dengan lebih optimal. Selain itu, Tembaga juga memiliki koefisien konduktivitas kalor yang cukup besar tetapi material tembaga lebih mudah teroksidasi dibandingkan dengan stainless steel dan alumunium . Sehingga diperkirakan material ini akan bereaksi dengan minyak yang akan menyebabkan kondisi pisik minyak menjadi kurang baik.

III.2.3 Proses Destilasi Minyak Atsiri Pada proses destilasi dengan menggunakan bahan bakar minyak tanah dan dengan pengaturan sumbu kompor maksimum, mulai terjadi kondensasi rata-rata setelah proses berlangsung selama 1 jam. Ketika mulai terjadi proses kondensasi


21

Tugas Akhir

aliran kondensat masih belum stabil dikarenakan uap air dan minyak yang terkondensasi dalam tube kondensor masih sedikit, sehingga kondensat belum terdorong keluar. Setelah 3 jam proses destilasi berlangsung, aliran kondensat sudah mulai stabil keluar dari kondensor.

III.2.4 Data Hasil Destilasi Minyak Atsiri Dari data-data yang didapatkan dari percobaan - percobaan dapat dibandingkan parameter-parameter sebagai berikut : a. Perbandingan Percobaan Kondensor 1. Kondensor Stainless Steel

Tabel 3.2 Percobaan 1 dan 2 Kondensor Bahan Stainless Steel No

Parameter

Nilai

Satuan

Percobaan 1

Percobaan 2

1

Bahan Baku

1

2

kg

2

Bahan Bakar Minyak Tanah

1

1.3

liter

3

Waktu Penyulingan

4

4

jam

4

Suhu Lingkungan

30

30

o

5

Suhu Air Penyuling

27

27

o

6

Air Penyuling Ketel (Awal)

7.5

7.5

liter

7

Air Penyuling Ketel (Akhir)

2.9

3.8

liter

8

Laju Air Pendingin

58

58

liter/jam

9

Suhu Air Pendingin Masuk

27

27

o

41

o

10

Suhu Air Pendingin Atas

45

C C

C C

11

Suhu Air Pendingin Keluar

30

30

o

12

Hasil Minyak

15

39

ml

13

Suhu Kondensat

35

30

o

14

Laju Aliran Kondensat

1.1

1.2

liter/jam

15

Rendemen

1.5

1.95

%


C

C

22

Tugas Akhir

Gambar 3.3 Kondensor Stainless Steel

2. kondensor Alumunium

Tabel 3.3 Percobaan 1 dan 2 kondensor Bahan Alumunium No

Parameter

Nilai

Satuan

Percobaan 1

Percobaan 2

1

Bahan Baku

1

2

kg

2


1

1.3

liter

3

Waktu Penyulingan

4

4

jam

4

Suhu Lingkungan

30

30

o

5

Suhu Air Penyuling

27

27

o

6


7.5

7.5

liter

7


3.8

3.8

liter

8

Laju Air Pendingin

58

58

liter/jam

9


27

27

o

10


47

45

o

11


31

30

o

12

Hasil Minyak

20

45

ml

13

Suhu Kondensat

33

30

o

14


1.2

1.3

liter/jam

15

Rendemen

2

2.25

%


C C

C C C

C

23

Tugas Akhir

Gambar 3.4 Kondensor Alumunium

3. Kondensor Tembaga

Tabel 3.4 Percobaan 1 dan 2 kondensor Bahan tembaga No

Parameter

Nilai

Satuan

Percobaan 1

Percobaan 2

1

Bahan Baku

1

2

kg

2


1

1.3

liter

3

Waktu Penyulingan

4

4

jam

4

Suhu Lingkungan

30

30

o

5

Suhu Air Penyuling

27

27

o

6


7.5

7.5

liter

7


3.8

3.8

liter

8

Laju Air Pendingin

58

58

liter/jam

9


27

27

o

10


47

45

o

11


31

30

o

12

Hasil Minyak

16

41

ml

13

Suhu Kondensat

33

30

o

14


1.3

1.4

liter/jam

15

Rendemen

1.6

2.5

%


C C

C C C

C

24

Tugas Akhir

Gambar 3.5 Kondensor Tembaga

b.

Kecepatan Pendidihan Air Destilasi dalam Ketel Alumunium dengan Bahan

Bakar Minyak Tanah (tanpa isolasi). Di bawah ini adalah grafik yang memperlihatkan kecepatan pendidihan air destilasi dalam ketel dengan kondisi sebagai berikut : •


= 9.14 liter

•

Suhu lingkungan

= 25 °C

•

Api kompor

= besar (sumbu kompor maksimum)

•


= ± 0.3 liter (selama 65 menit)

Kecepatan Pendidihan Air Destilasi dalam Ketel Alumunium (Bahan Bakar Minyak Tanah , tanpa isolasi)

120

Suhu(°C)

100 80 60 40

28

20

36

46

53 59

67 73

100 102 93 97 90 85

0 0

5


10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Waktu (menit) 25

Tugas Akhir

Dari grafik di atas terlihat bahwa proses pendidihan air destilasi dalam ketel alumunium sebanyak 9.14 liter berlangsung selama 65 menit untuk mencapai suhu air 102 °C dengan kondisi dinding ketel yang tidak diisolasi. c. Kecepatan Pendidihan Air Destilasi dalam Ketel Alumunim dengan Bahan Bakar Minyak Tanah (dengan isolasi). Kenaikan suhu air dalam ketel diukur dengan kondisi : •


= 7.4 liter

•

Suhu lingkungan

= 25°C

•

Api kompor

= besar (sumbu kompor maksimum)

•


= ± 0.3 liter

Suhu(°C)

Kecepatan Pendidihan Air Destilasi dalam Ketel Alumunium (Bahan Bakar Minyak Tanah, dengan isolasi)

120 100 80 60 40 20 0

23

35

45

54

64

97 97 98 97 96 96 96 96 96 96 96 88 94 81 74

Waktu (menit)

Grafik di atas menunjukkan bahwa dengan menggunakan isolasi pada dinding ketel yang telah dihitung secara teoritis pada Bab III dengan menggunakan air destilasi yang lebih sedikit, dapat mempercepat proses pendidihan dibanding dengan kondisi tanpa isolasi dengan penggunaan air destilasi maksimum, sehingga pada kondisi di atas, air dalam ketel mencapai suhu 97 °C dalam waktu 45 menit. Jika tidak menggunakan isolasi dengan bahan bakar yang sama , air dalam ketel mencapai suhu 97°C dalam waktu 55 menit, sehingga dapat mempercepat proses pendidihan ± 10 menit.


26

Tugas Akhir

BAB IV DESAIN TERMAL

Rumus-rumus yang digunakan dalam desain termal di bawah ini diambil dari buku J.P. Holman, Perpindahan Kalor, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1994. rumus yang diambil dari buku acuan lain akan diberi keterangan sendiri.

IV.1 Desain Kondensor

IV.I.1 Desain Kondensor Stainless Steel Bahan Tube

: Stainless Steel (Cr 16-26, ni 8-36)

d1

: 11.1 mm = 0.0111 m

d0

: 12.7 mm = 0.0127 m

k=λ

: 14.64 W/m.ºC

ρ

: 8000 kg/m³

Cν

: 502,10 J/kgºC

ρf

: 958.16 kg/m³

ρg

:0.6 kg/m³

hfg

: 2.26 x 106 J/kg

g

: 9.8 m/s²

μpipa

: 2.27 x10-4 kg/m.s

ΔT

: Tuap – Tkondensat = (96 – 35)ºC

Cp

: 4217 J/kg.ºC

•

Persamaan Koefisien Perpindahan Kalor Kondensasi :

 C (Tu p−a Tkp h f g≡ h f g1 + 0.6 8 hf g 


o

)

n

 

27

Tugas Akhir

4217(96 − 35)   = 2457729 J / kg h fg ≡ 2.26 ⋅106 1 + 0.68 2.26 ⋅106  

•

Persamaan KoefisienPerpindahan Kalor Konveksi di Luar Tube :  ρ (ρ − ρ v )g 3 hkf g 5 5   µd (Tg − Tw ) 

h = 0.5

1

4

 958.16(958.16 − 0.6 )9.8 ⋅ 0.68 3 ⋅ 2.26 ⋅10 6  h1 = 0.555  2.79 ⋅10 − 4 ⋅ 0.0111(96 \ T1 )  

1

4

=

2.15 ⋅10 4 (96 − T1 )

Data spesifikasi pipa dan tangki : d0

= 12.7 mm = 0.0127 m

dtangki

= 350 mm = 0.35 m

m

= 0.04 kg/s (laju aliran air pendingin)

A

= 3.14 x (0.35/2)² = 0.0962m² (luas penampang tangki)

T∞

= 30ºC

Sifat-sifat air pada suhu 30ºC : ρ

= 995.26 kg/m³

μair

= 8.03 x 10-4 kg/m.s

Pr

= 5.41

k

= 0.62 W/m.ºC

u=

m ρ.A

u=

0.04 = 0.0004m / s 995.26 ⋅ 0.0962

Re = Re =

d uρ

µ 0.0

0⋅ 0.0 1 ⋅092 .2097 645 = 6.3 8.0 ⋅1 3−4 0


28

Tugas Akhir

(

)

N = 0.u4 + 03.5 Re 0 P 0.5

(

N = 0.u4 + 0.35

(

N = 0.4u + 0.53

0.3

⋅ 6.30 )5.4 0.5

⋅ 6.30 )5.4 0.5

0.2

P  r8 P

f w

 r   r

 P8 1 P

0.3

f w

untuk 1< Re <10³

  Pr   asumsi  f  = 1, sehingga   Prw 

(11)80. 2 . = 53.2

0.3

k h0 = N u d

h0 = 3.2 ⋅

•

0.62 = 158.8 W/m².C 0.0127

Tahanan temal di bagian luar per satuan panjang pipa :

Re = =

•

1

h0 ⋅ A0

=

1

h0 ⋅ 2 ⋅ π ⋅ r0

=

1

h0 ⋅ π ⋅ d 0

1 = 0.158W / m.ο C 158.8 ⋅ 3.14 ⋅ 0.0127

Tahanan termal pipa untuk setiap satuan panjang pipa :

(

)

r d ln 0  ln 0  ln 0.0127 r1  d1    0.0111 = 0.001465W / m.°C Rs = = = 2 ⋅ π ⋅14.64 2 ⋅π ⋅ k 2 ⋅π ⋅ k

•

(T

Mencari suhu bagian dalam dinding pipa,T1 dan bagian luar pipa T0 : − Tpi )

u

a

R1

=

(96 − Ti ) 1 (96 − Ti ) 4

(Ti − T0 ) = (T0 − T∞ ) Rs

=

(Ti − T0 ) 0.001465

R0

=

(T0 − 30) 0.158

749.36

1.098 =

(Ti − T0 ) 3 (96 − Ti ) 4

(Ti

(T − 30 ) − T0 ) = 0 0.001465 0.158 Universitas Mercu Buana

749.36 ⋅ (100 − Ti )

;

;

107.85 =

3

4

=

(Ti − T0 )

.......... (i)

0.001465

(T0 − 30 ) (T0 − Ti )

............(ii)

29

Tugas Akhir

Ti dan T0 dicari dengan iterasi persamaan (i) dan (ii) : Ti = 90.5 ºC dan T0 = 98.834 ºC Maka : hi = •

21500

(96 − 90.5) 4 1

= W/m².ºC

Perpindahan Kalor Menyeluruh :

U0 =

1 A0 1 A0 l (nr0 / ri ) 1 + + Ai hi 2πk L h0

U0 =

1 d 0 1 d 0 ln (d 0 / d i ) 1 + + 2k d i hi h0

U0 =

1 = 53,14W / m 2 .o C 0.0127 1 0.0127 ⋅ ln (0.0127 / 0.0111) 1 + + 0.0111 25567.953 2 ⋅14.64 158.8

•

Mencari Luasan Perpindahan Kalor Kondensor dengan LMTD metode:

Data Percobaan : Uap masuk

T1 = 96ºC

Uap keluar

T2 = 35°C

Air pendingin masuk

t1 = 27ºC

Air Pendingin keluar

t2 = 43ºC

Aliran massa uap

m = 5 x 10-4 kg/s

Panjang pipa

L = 2.94 m

Panas Spesifik

Cp = 4217 J/kg.ºC = 4.217 kJ/kg.ºC

Per. kalor menyeluruh

U = 53.14 W/m². ºC

Faktor koreksi

F

= 1.0 ( Table Faktor Koreksi)

Gravitasi

g

= 9.8 m/s2

Jumlah pipa per baris

m

=9

Viskositas

μ

= 2.27 x 10-4 kg/s.m

Massa Jenis

ρ

= 8000 kg/m3


30

Tugas Akhir

q

= m.Cp.∆T = (0.0005).(4.217).(96-35) = 0.12 kW

∆Tm

∆T m=

=

(T1 −t 2 )− (T2 −t1 ) ( T1 −t 2 ) ln ( T2 −t1 )

(96 − 43) − (35 − 27 ) = 51.57°C  96 − 43  ln   35 − 27 

Karena q = UAF. ∆Tm, maka :

A= A=

q

U .F .∆Tm 1300 q = = 1261.6m 2 (53.14)(1.0)(51.57 ) U ⋅ F ⋅ ∆Tm

IV.I.2 Desain Kondensor Alumunium Bahan Tube

: Alumunium (Al94.0 Cast or Trmt)

d1

: 11.1 mm = 0.0111 m

d0

: 12.7 mm = 0.0127 m

k=λ

: 125.52 W/m.ºC

ρ

:2700 kg/m³

Cν

: 878.60 J/kgºC

ρf

: 958.16 kg/m³

ρg

: 0.6 kg/m³

hfg

: 2.26 x 106 J/kg

g

: 9.8 m/s²

μpipa

: 2.27 x10-4 kg/m.s


31

Tugas Akhir

ΔT


Cp

: 4217 J/kg.ºC

•

Persamaan Koefisien Perpindahan Kalor Kondensasi :  C (Tu p−a Tkp h f g≡ h f g1 + 0.6 8 hf g 

o

)

n

 

4217(96 − 32 )  h fg ≡ 2.26 ⋅10 6 1 + 0.68 = 2457729 J / kg 2.26 ⋅10 6  

•

Persamaan KoefisienPerpindahan Kalor Konveksi di Luar Tube : h = 0.5

 ρ (ρ − ρ v )g 3 hkf g 5 5   µd (Tg − Tw ) 

1

4

 958.16(958.16 − 0.6 )9.8 ⋅ 0.68 3 ⋅ 2.26 ⋅10 6  h1 = 0.555  2.79 ⋅10 − 4 ⋅ 0.0111(96 \ T1 )  

1

4

=

2.15 ⋅10 4 (96 − T1 )

Data spesifikasi pipa dan tangki : d0

= 12.7 mm = 0.0127 m

dtangki

= 350 mm = 0.35 m

m


A


T∞

= 30ºC


= 995.26 kg/m³

μair

= 8.03 x 10-4 kg/m.s

Pr

= 5.41

k

= 0.62 W/m.ºC


32

Tugas Akhir

m ρ.A

u= u=

0.04 = 0.0004m / s 995.26 ⋅ 0.0962

Re = Re =

d uρ

µ 0⋅ 0.0 1 ⋅092 .2097 645 = 6.3 8.0 ⋅1 3−4 0

0.0

(

)

N = 0.u4 + 03.5 Re 0 P 0.5

(

N = 0.u4 + 0.35

0.3

⋅ 6.30 )5.4 0.5

(

P  r8 P 0.3

0.2

 r  untuk 1< Re <10³  r

f w

 P8 1 P

)

Nu = 0.43 + 0.50 ⋅ 6.30.5 5.410.38 (1)

f w

0..25


= 3.2

k h0 = N u d

h0 = 3.2 ⋅

•

Tahanan temal di bagian luar per satuan panjang pipa :

Re = =

•

0.62 = 158.8 W/m².C 0.0127

1

h0 ⋅ A0

=

1

h0 ⋅ 2 ⋅ π ⋅ r0

=

1

h0 ⋅ π ⋅ d 0

1 = 0.158W / m.ο C 158.8 ⋅ 3.14 ⋅ 0.0127


(

)

r d ln 0  ln 0  ln 0.0127 r d1  0.0111 = 0.001465 W/m.ºC = Rs =  1  =  2 ⋅ π ⋅125.52 2 ⋅π ⋅ k 2 ⋅π ⋅ k


33

Tugas Akhir

•

Mencari suhu bagian dalam dinding pipa,T1 dan bagian luar pipa T0 :

(T

uap

− Ti )

R1

(96 − Ti ) 1 (96 − Ti ) 4

=

(Ti − T0 ) = (T0 − T∞ )

=

Rs

R0

(Ti − T0 ) 0.001465

=

(T0 − 30) 0.158

749.36 1.098 =

(Ti

− T0 )

(96 − Ti )

3

4

; 749.36 ⋅ (96 − T ) 3 4 = (Ti − T0 ) i

(Ti

(T − 30 ) ; − T0 ) = 0 0.001465 0.158

.......... (i)

0.001465

107.85 =

(T0 − 30 ) (T0 − Ti )

............(ii)

Ti dan T0 dicari dengan iterasi persamaan (i) dan (ii) : Ti = 90.5 ºC dan T0 = 98.834 ºC Maka : hi =

•

21500

(96 − 99.05) 4 1

= 25567.953 W/m².ºC


U0 =


U 0=

1 d 0 1 d 0 l (nd 0 / d i ) 1 + + d i hi 2k h0

U0 =

1 = 8.8W / m 2 .o C 0.0127 1 0.0127 ⋅ ln(0.0127 / 0.0111) 1 + + 0.0111 25567.953 2 ⋅125.52 158.8


34

Tugas Akhir

•

Mencari Luasan Perpindahan Kalor Kondensor dengan LMTD metode :

DataPercobaan : Uap masuk

T1 = 96ºC

Uap keluar

T2 = 32°C

Air pendingin masuk

t1 = 27ºC


t2 = 46ºC

Aliran massa uap

m = 5 x 10-4 kg/s

Panjang pipa

L = 2.94 m

Panas Spesifik

Cp = 4217 J/kg.ºC = 4.217 kJ/kg.ºC


U = 8.8 W/m². ºC

Faktor koreksi

F = 1.0 ( Table Faktor Koreksi)

Gravitasi

g = 9.8 m/s2


m =9

Viskositas

μ

= 2.27 x 10-4 kg/s.m

Massa Jenis

ρ

= 8000 kg/m3

= m.Cp.∆T

q

= (0.0005).(4.217).(96-32) = 0.13 kW

∆Tm =

∆T m=

(T1 − t 2 )− (T2 − t1 ) (T − t ) ln 1 2 (T2 − t1 )

(96 − 46) − (32 − 27 ) = 48.81°C  96 − 46  ln   32 − 27 


35

Tugas Akhir


A= A=

q U .F .∆Tm

q 1300 = = 7210.5m 2 U ⋅ F ⋅ ∆Tm (8.8)(1.0 )(48.81)

IV.I.3 Desain Kondensor Tembaga Bahan Tube

: Copper Alloy (Cu 90, Ni 10)

d1

: 11.1 mm = 0.0111 m

d0

: 12.7 mm = 0.0127 m

k=λ

: 41.84 W/m.ºC

ρ

:8900 kg/m³

Cν

: 376.60 J/kgºC

ρf

: 958.16 kg/m³

ρg

: 0.6 kg/m³

hfg

: 2.26 x 106 J/kg

g

: 9.8 m/s²

μpipa

: 2.27 x10-4 kg/m.s

ΔT


Cp

: 4217 J/kg.ºC

b.Persamaan Koefisien Perpindahan Kalor Kondensasi :  C (Tu p−a Tkp h f g≡ h f g1 + 0.6 8 hf g 

o

)

n

 

4217(96 − 30 )  = 246.10 0J/kg h fg ≡ 2.26 ⋅106 1 + 0.68 6  2.26 ⋅10  

hf =

 (958.16 − 0.6)958.16.2.46.10 0.9.8 (0.0111cos 8) 3    2.79.10 4. 0.68.(96− T )  

1/ 4

.0.68

0.0111 cos 8


36

Tugas Akhir

  (30222685)1 / 4 .0.68  1/ 4 1/ 4   (0.00019) (96 − T1 )  0.0111 cos 8

hf =

•

38702.7 (96 − T1 )1 / 4

Tahanan thermal dibagian dalam persatuan panjang pipa:

Ri =

1 1 1 = = = hi . Ai hi .2.π .ri hi .π .d i

1 38702.7 .3,14.0,0111 (96 − T1 )1 / 4

(96 − T1 )1 / 4 1349

b.Persamaan KoefisienPerpindahan Kalor Konveksi di Luar Tube : Data spesifikasi pipa dan tangki : d0

= 12.7 mm = 0.0127 m

dtangki

= 350 mm = 0.35 m

m


A


T∞

= 30ºC


= 995.26 kg/m³

μair

= 8.03 x 10-4 kg/m.s

Pr

= 5.41

k

= 0.62 W/m.ºC

m u = ρ⋅A u=

9

Re = Re =

0.0 4 = 0.0 .29 ⋅ 065.0 9 6

0m/s 2

d uρ

µ 0.0

0⋅ 0.0 1 ⋅092 .2097 645 = 6.3 8.0 ⋅1 3−4 0


37

Tugas Akhir

(

)

N = 0.u4 + 03.5 Re 0 P 0.5

(

N = 0.u4 + 0.35

(

N = 0.4u + 0.53

0.2

P  r8 P

0.3

⋅ 6.30 )5.4 0.5

⋅ 6.30 )5.4 0.5

f w

 r  untuk 1< Re <10³  r

 P8 1 P

0.3

f w


(11)80. 2 . = 53.2

0.3

k h0 = N u d

h0 = 3.2 ⋅ •

0.62 = 158.8 W/m².C 0.0127

Tahanan termal di bagian luar per satuan panjang pipa :

Re = =

•

1

=

h0 ⋅ A0

1

h0 ⋅ 2 ⋅ π ⋅ r0

=

1

h0 ⋅ π ⋅ d 0

1 = 0.158W / m.ο C 158.8 ⋅ 3.14 ⋅ 0.0127


(

)

r d ln 0  ln 0  ln 0.0127 r d1  0.0111 = 0.000512 W/m.ºC = Rs =  1  =  2 ⋅ π ⋅ 41.84 2 ⋅π ⋅ k 2 ⋅π ⋅ k

•

(T

Mencari suhu bagian dalam dinding pipa,T1 dan bagian luar pipa T0 : − Tpi )

u

a

R1

=

(96 − Ti ) 1 (96 − Ti ) 4

(Ti − T0 ) = (T0 − T∞ ) Rs

=

R0

(Ti − T0 ) 0.000512

=

(T0 − 30) 0.158

749.36 1.098 =

(Ti

− T0 )

(96 − Ti )

3

(Ti

4

;

(T − 30 ) ; − T0 ) = 0 0.001465 0.158


749.36 ⋅ (96 − Ti )

3

107.85 =

4

=

(Ti − T0 )

.......... (i)

0.001465

(T0 − 30 ) (T0 − Ti )

............(ii)

38

Tugas Akhir

Ti dan T0 dicari dengan iterasi persamaan (i) dan (ii) : Ti = 90.5 ºC dan T0 = 98.834 ºC Maka : hi =

•

21500

(96 − 99.05) 4 1

= 25567.953 W/m².ºC


U0 =


U 0=

1 d 0 1 d 0 l (nd 0 / d i ) 1 + + d i hi 2k h0

U0 =

•

1 = 23.73W / m 2 .o C 0.0127 1 0.0127 ⋅ ln (0.0127 / 0.0111) 1 + + 0.0111 25567.953 2 ⋅ 41.84 158.8

Mencari Luasan Perpindahan Kalor Kondensor dengan LMTD metode :

Data percobaan : Uap masuk

T1 = 96ºC

Uap keluar

T2 = 30°C

Air pendingin masuk

t1 = 27ºC


t2 = 46ºC

Aliran massa uap

m = 5 x 10-4 kg/s

Panjang pipa

L = 2.94 m

Panas Spesifik

Cp = 4217 J/kg.ºC = 4.217 kJ/kg.ºC


U = 23.73 W/m². ºC

Faktor koreksi

F = 1.0 ( Table Faktor Koreksi)

Gravitasi

g = 9.8 m/s2


m =9


39

Tugas Akhir

Viskositas

μ

= 2.27 x 10-4 kg/s.m

Massa Jenis

ρ

= 8000 kg/m3

= m.Cp.∆T

q

= (0.0005).(4.217).(96-30) = 0.14 kW ∆Tm =

∆T m=

(T1 −t 2 )− (T2 −t1 ) ( T1 −t 2 ) ln ( T2 −t1 )

(96 − 46) − (30 − 27 ) = 48.81°C  96 − 46  ln   30 − 27 


A= A=

q U .F .∆Tm

q 1300 = = 2673.9m 2 U ⋅ F ⋅ ∆Tm (23.73)(1.0 )(48.81)

Tabel 4.1 Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kondensor No

Data

Stainless Steel

Alumunium

Tembaga

1

Uap masuk

(T1/ºC)

96

96

96

2

Uap keluar

(T2/ºC)

33

32

32

3

Air Pendingin masuk

(t1/ºC)

27

27

27

4

Air pendingin keluar

(t2/ºC)

43

46

46

5

Laju perpindahan Kalor

(q/kW)

0.12

0.13

0.14

6

LMTD

(ΔTm/ºC)

51.27

48.81

48.81

7

Luas penampang kalor

(A/m²)

1261.6

7210.5

2673.9


40

Tugas Akhir

IV. 2 Desain Ketel III. 2.1 Konstruksi Ketel Ketel Uap Bahan

: Alumunim Alloy (a184.0.0 Cast Tempered)

Diameter

: 350 mm

Tinggi

: 400 mm

Kapasitas tangki bahan

: 2.45 kg (nilam kering)

Kepadatan bahan dalam tangki

: 0.08 kg/liter

Uap air yang dibutuhkan

: 8.6 liter

Uap air per jam

: 1.84 liter = 1.84 kg

IV. 2.1.1 Penetuan Luas Area Perpindahan Kalor Ketel a. Koefisien heat transfer proses didih ΔΤo = T permukaan panas – T didih air = 10ºc (asumsi) •

Rumus Perpidahan Kalor Didih : Karakteristik Air dan Uap Jenuh pada 100ºC

Cl

= 4216 J/kg.ºC

∆Tx

= lebih suhu =Tw – Tjenuh = 10ºC

h fg

= 2256900 J/kg

Prls

= 1.9

µl

= 0.000267 kg/m.s

σ

= 0.0588 N/m

g

= 9.8 m/s²

ρl

= 955.1 kg/m³

ρv

= 0.5863 kg/m³

C sf

= 0.013

s

= 1.0 untuk air


41

Tugas Akhir

 q/ A C/ • ∆Tx C = sf  h fg • Prls  µl • h fg

 g cσ  g ( ρ l − ρ v 

0.33

 C • ∆Tx  µl • h fg  l s   Csf h fg • Prl   q/ A= g cσ g ( ρl − ρv )

4 2⋅ 1 10 6  0 ⋅ 20 22 ⋅56 67 9 0 0 1   0.0 ⋅ 12 32 ⋅51.9 6 7 1 1 9.8(9 .15− 0.5 8) 6 3

3

1

0.0 0 .2 3= 9

10391.2W / m 2 = 102kW / m 2 → 16 < q / A, kW / m 2 < 240 •

Penyederhanaan koefisien perpindahan kalor didih di atas permukaann pada 1 atm absolute (natural convection) : Untuk Permukaan Horisontal h, Btu/h·ft²·ºF = 151ΔΤ0⅓

q/A, Btu/h·ft²<5000

h, W/m²·ºK = 1043ΔΤ0⅓

q/A, kW/m²<16

h, Btu/h·ft²·ºF = 0.168ΔΤ0³ 5000
q/A, Kw/m²<240

h = 5.56(10)³ = 5560 W/m².ºC = 5560 J/s.m².ºC b. Koefisien perpindahan kalor menyeliruh ketel (U) Bahan

: Alumunium Alloy (A 184.0, Cast or Tempered)

Tebal Ketel

: 1 mm

k (Konduktivitas Kalor) : 83.68 J/sec.m.ºC l/U = (Δx/k) + (l/h) = (1.10-³/83.68) + (1/5560) = 1.92e-4 U = 1/1.92e-4 = 5208 W/m².ºC c. Mencari Kalor yang Dibutuhkan untuk Menguapkan Air Destilasi Asumsi Laju Aliran Uap Air = 1.84 kg/jam = 5.1e-4 kg/s = 0.5 g/s Kalor yang dibutuhkan = mspesifik uap air x (kalor sensible + kalor laten) = 5.1e-4 kg/s x [(4.184 kJ/kg ºC x (100 – 26) ºC) + 2257 kJ/kg] = 5.1e-4 kg/s x 2566.616 kJ/kg = 1.3 kJ/s = 1.3 kW


42

3

Tugas Akhir

d. Mencari Luasan Perpidahan Kalor Ketel Q = U.A.ΔT 1.3 kW = 3.185 kW/m² . ºC x A x 10 ºC A = 1.3 kW / (5.208 kW / m².ºC x 10 ºC) = 0.025 m² Luasan dasar ketel dengan diameter 0.35 m = (3.14 x 0.35²) 4 = 0.096 m² Jadi luasan dasar ketel yang ada sudah dianggap mencukupi untuk jumlah perpindahan kalor yang diperlukan untuk menguapkan air destilasi. Jumlah perpindahan kalor yang terjadi juga tergantung oleh luasan efektif dasar ketel yang terkena oleh sumber kalor.

IV. 3 Tebal Isolasi a. Rugi – Rugi Kalor konveksi Bebas pada Dinding Ketel Parameter – parameter : Suhu dinding ketel, Tw = 100ºC (asumsi) Suhu udara lingkungan, T∞ = 30ºC T1 =

100 + 30 = 65°C = 338 K 2

g

= 9.8 m/s²

β

= 1/338 = 0.003 1/ºC

ρ

= 1.041 kg/m³

cp

= 1.008 kJ/kg.ºC = 1008J/kg.ºC

μ

= 2.02 x 105 kg/m.s

k

= 0.03 W/m.ºC

d

= 350 mm = 0.35 m

Grf ⋅ Pr f = Grf ⋅ Pr f =

gβρ 2 c p

µκ

(Tw − T∞ )d 3

9.80.0031⋅1.04121008 (100 − 30)⋅ (0.35)3 = 4.7428 ×108 −5 2.02 ×10 ⋅ 0.03


43

Tugas Akhir

4

Laminar,10
1

4

 ∆T  h = 1.42   L 

9

1

4

= 4.8W/m².ºC

b. Tebal Isolasi Dinding Ketel Bahan Isolasi : Jika menggunakan karet talang dan kaca-serat L = 0.53 m Karet talang (karet dengan karbon hitam), k = 0.24 W/m.ºC Tebal = 0.8 mm = 0.08 cm = 0.0008 m Selubung kaca-serat, k = 86 mW/m.ºC = 0.086 W/m.²C Tebal = 1.45 cm = 0.0145 m RA Kondisi isolasi = dinding ketel RK = R A + RB + RC k 0.24 r0 = = 0.05m = 5cm h 4.8

karet

RB kaca-serat

RC karet

(Isolasi Kritis)

Karena r0 aktual > dari r0 kritis, maka penambahan tebal isolasi akan mengurangi perpindahan kalor dari dinding ketel ke lingkungan.

l (dn2 / d1 ) l (dn3 / d 2 ) l (dn4 / d 3 ) + + Rk = 2 ⋅ π ⋅ k L 2 ⋅ π ⋅ k L 2 ⋅ π ⋅ k L A B C Rk =

l (0.3 n / 0.3 )5 l (0.35n 1 / 0.3 8 ) 6 l (50.30n / 0.31 86) 86 2 + + = 0.3°C / W 2 ⋅ π ⋅ 0.2 ⋅ 0.5 42 ⋅ π ⋅30.0 ⋅ 0.5 8 2 ⋅ π3⋅ 0.26 ⋅ 0.5 4 3

Rh = 1/(2 x π x r0 x L x h) = 1/(2 x3.14 x (0.3822/2) x 0.53 x 4.8) = 0.33 ºC/W Rth = Rk + Rh = 0.3 + 0.33 = 0.63 ºC/W q = (Tw - T∞)/Rth = (100-30)ºC / 0.63ºC/W = 111 W Kerugian kalor konveksi bebas tanpa isolasi (dari dinding ketel) : q = h x π x d x L x (Tw - T∞) = 4.8 x 3.14 x 0.35 x 0.53 x (100 - 30) = 195.7 W


44

Tugas Akhir

Penurunan rugi-rugi kalor konveksi bebas dari dinding ketel = (195.7-111)/195.7 = 43.3 %

c. Rugi-rugi Kalor Konveksi Bebas pada Dinding Pipa Uap Parameter-parameter Suhu dinding ketel, Tw = 100ºC (asumsi) Suhu udara lingkungan, T∞ = 30ºC T1 =

+0 3 0 0 = 6 °C5= 3 2

1

K3

g

= 9.8 m/s²

β

= 1/338 = 0.003 1/ºC

ρ

= 1.041 kg/m³

cp

= 1.008 kJ/kg.ºC = 1008J/kg.ºC

μ

= 2.02 x 105 kg/m.s

k

= 0.03 W/m.ºC

d

= 350 mm = 0.35 m

G

f

⋅P r

f

=r

Grf ⋅ Pr f =

gβ

2

c pρ

µ

(Tw − T∞ )d 3

κ

9.80.0031⋅1.04121008 (100 − 30)⋅ (0.35)3 = 4.7428 ×108 −5 2.02 ×10 ⋅ 0.03 4

Laminar,10
 100 − 30  h = 1.32   0.53 

1

4

9

 ∆T  h = 1.32   L 

1

4

(silinder horizontal)

= 10.3W/m².ºCd. Tebal Isolasi Dinding Uap

Bahan Isolasi : Jika menggunakan selubung kaca-serat L = 1.4 m Selubung kaca-serat, k = 86 mW/m.ºC = 0.086 W/m.²C Tebal = 1.45 cm = 0.0145 m Kondisi isolasi : dinding pipa uap


selubung kaca-serat

45

Tugas Akhir

r0 =

k 0.086 = = 0.00835 m = 0.835 cm (Isolasi Kritis) h 10.3

Karena r0 aktual > dari r0 kritis, maka penambahan tebal isolasi akan mengurangi perpindahan kalor dari dinding pipa uap ke lingkungan. Rk =

l (dn 2 / d1 ) l (0n.0 / 40.0 8) 1 + = 1.23 ºC/W 2 ⋅ π ⋅ k L 2 ⋅ π ⋅ 0.0 ⋅ 80.4 6

Rh = 1/(2 x π x r0 x L x h) = 1/(2 x3.14 x (0.048/2) x 1.4 x 10.3) = 0.46 ºC/W Rth = Rk + Rh = 1.23 + 0.46 = 1.69 ºC/W q = (Tw - T∞)/Rth = (100-30)ºC / 1.69ºC/W = 41.42 W Kerugian kalor konveksi bebas tanpa isolasi (dari dinding ketel) : q = h x π x d x L x (Tw - T∞) = 10.3 x 3.14 x 0.019 x 1.4 x (100 - 30) = 60.22 W Penurunan rugi-rugi kalor konveksi bebas dari dinding pipa uap = (60.22-41.42)/60.22 = 31.2 % IV. 4 Kareteristik Bahan Bahan yang didestilasi menggunakan daun nilam kering (Pogostemon Pacthouly) yang akan menghasilkan Pacthouly Oil. Kareteristik dari bahan yang akan didestilasi yaitu : Tabel 4.2 Kareteristik Bahan Karakteristik Spesifik Grafitasi pada 25°C/25°C Massa Jenis pada 25°C.ρ

Keterangan

0.9625 0.9625 x 1000 = 962.5 kg/m³ Spesifik Grafitasi. ρs = 0.9625 = ρ/ρH2O (acuan massa jenis air) Kalor Spesifik Bahan 0.5 Btu/lb/°F =2093.4 J/kg.°C Kalor Laten Minyak Nilam 846 kJ/kg Kadar Air 10 % (v/b) (ml/g) Rendemen 1.6 % (vb/) (ml/g) Titik Didih 257°C Pacthouly Alcohol 32.8 – 40.55 % (GC/Gas Chromography) Kepadatan Bahan dalam Tangki 0.080 – 0.085 kg/ltr (standar Balittro) Sumber Balai Penelitian Tanaman Obat dan Aromatika (Balittro)


46

Tugas Akhir

IV. 4.1 Kesetimbangan Massa Asumsi Jumlah Nilam Kering / kg : Tabel 4.3 KesetimbanganMassa (Dalam Kg) Zat / Komposisi Solids Air Rendemen Uap (Awal) Nilam Kering 0.8846 0.1 0.0154 Air 3 Proses Nilam Kering 0.8846 0.1154 Air 1.16 1.84 Produk Nilam Kering 0.8846 Air 1.16 Destilat Sumber Balai Peneiltian Tanaman Obat dan Aromatika (Balittro)

Total 1 3 1 3 0.8846 1.16 1.9554

IV. 4.2 Kesetimbangan Kalor IV. 4.2.1 Kalor yang Dilepaskan Uap Air Karakteristik Air Destilasi ρair

: 1000 kg/m³

Luap air : 2257 KJ/kg (dari steam tables pada 100°C. 1 atm) Cp

: 4184 J/kg ºC

Tair

: 26ºC

Tdidih

: 100ºC

Jumlah Kalor / Kilogram Uap Air = Kalor laten x massa uap air = 2257 kJ/kg x 0.1 (asumsi kalor laten diserap bahan per kg uap 10%) = 225.7 kJ IV. 4.2.2 Kalor yamg dibutuhkan untuk Menguapkan Air dan Rendemen dalam Bahan a. Kalor untuk Menguapkan Air / Kilogram Bahan jumlah Air / kg bahan = 0.1 kg Kalor laten dari uap air pada 100ºC, 1 atm (Water Steam Table) = 2257 kJ


47

Tugas Akhir

Suhu awal = 29ºC Jumlah Kalor = Kalor laten + Kalor sensible (dari 29ºC) = (2257 kJkg x 0.1 kg) + (0.1 kg x 4.4184 kJ/kgºC) = 225.7 kJ + 29.7 kJ =255.4 kJ b. Kalor untuk Menguapkan Rendeman / Kilogram Bahan Massa Jenis pada 25ºC, ρ = 0.9625 x 1000 = 962.5 kg/m³ Kalor laten Minyak Nilam = 846 kJ/kg (asumsi) Tawal minyak = 30ºC Kalore spesifik daun nilam kering 0.5 Btu/lb/ºF = 2093.4 J/kg. ºC Jumlah kalor = Kalor laten (rendemen) + Kalor sensible bahan (dari 30ºC ke 100º) = (0.0154 kg x 846 kJ/kg) + [1 kg x 2.0934 kJ/kg.ºC x (100-30)ºC] = 13.0284 kJ + 146.538 kJ = 159.5664 kJ ≈ 160 kJ Kalor Total (a+b) = 255.4 kJ + 160 kJ = 415.4 kJ

IV. 4.2.3 Jumlah Uap Air yang Dibutuhkan per Kilogram Bahan Kering Jumlah uap / kg bahan = 415.4 / 225.7 = 1.84 kg Jika jumlah bahan 2 kg Uap air yang dibutuhkan = 1.84 x 2 = 3.68 kg ≈ 3.68 liter


48

Tugas Akhir

BAB V PENUTUP

V.1 Kesimpulan Dari percobaan-percobaan yang telah dilakukan dapat diambil suatu kesimpulan sebagai berikut : 1. Kualitas (kondisi fisik minyak nilam) dan kuantitas minyak, khususnya minyak nilam yang diperoleh dari proses destilasi sangat dipengaruhi oleh kondisi bahan baku yang akan didestilasi dan juga jeni dari pipa kondensornya. Apabila pada daun sudah timbul jamur dan membusuk, akan mengurangi minyak yang akan dihasilkan, dan minyak menjadi keruh akibat timbulnya endapan-endapan. 2. Jenis kondensor stainless steel menghasilkan mutu minyak cukup baik akan tetapi laju aliran kondensat sangat lambat yaitu 1.4 liter/jam dengan laju perpindahan kalor 0.12 kW dikarenakan permukaan dinding dalam pipa kondensor stainless steel yang kasar sehingga menjadi hambatan aliran. 3. Jenis kondensor alumunium

menghasilkan mutu minyak cukup baik

walaupun kualitas minyak sedikit di bawah dari kualitas minyak yang dihasilkan oleh kondensor stainless steel, akan tetapi laju aliran kondensatnya cepat yaitu 1.3 liter/jam dengan laju perpindahan kalor 0.13 kW sehingga dapat mengefisienkan waktu dari proses destilasi. Ini dikarenakan permukaan dinding dalam pipa kondensor alumunium yang halus dan ratadan pendinginannya cukup baik. 4. Jenis kondensor tembaga juga dapat mengalirkan laju aliran kondensat dengan cepat yaitu 1.2 liter/jam dengan laju perpindahan kalor 0.12 kW , akan tetapi mutu dan kualitas miyak yang dihasilkan kurang baik ini


49

Tugas Akhir

dikarenakan minyak yang mengalir didalan kondesor terkontaminasi dari jenis bahan kondensornya, sehingga minyak yang dihasilkan sedikit berbau tembaga. 5. Air kondesat keluar, rata-rata setelah proses destilasi berlangsung selama lebih kurang 1 jam tergantung dari jenis bahan kondensornya. 6. Laju minyak yang dihasilkan cukup banyak pada satu jam pertama setelah air kondesat keluar. 7. Suhu kondesat akan dipengaruhi oleh air pendingin dan jenis kondensor. 8. Peningkatan suhu air pendingin dipengaruhi oleh laju air pendingin dan juga laju uap yang akan dikondensasi. 9. Dalam kondensor terjadi proses kondensasi uap dan juga pendinginan kondensat. 10. Agar proses destilasi lebih efektif dan efisien, banyak air dalam ketel harus disesuaikan dengan lamanya waktu destilasi dan memberi isolasi pada dinding ketel serta dinding pipa uap. 11. Dari hasil percobaan, minyak yang dihasilkan sangat berbanding jauh dari jumlah bahan baku, jika bahan baku yang diproses sebanyak 2 kg, maka minyak nilam yang dihasilkan hanya 40 x 10-3 m3 (40 ml). 12. Alat destilasi yang dibuat dengan skala kecil/lab kurang cocok digunakan untuk menghasilkan minyak secara massal karena kurang ekonomis, tetapi dapat digunakan di rumah untuk menghasilkan minyak atsiri jenis lain dari bahan baku yang berbeda untuk keperluan sendiri/percobaan-percobaan.

V.2 Saran Untuk mengembangkan alat destilasi minyak atsiri skala lab yang telah dibuat, dapat disarankan hal-hal sebagai berikut : 1. Memperbaiki kebocoran-kebocoran pada alat, terutama pada bagian perapat pada tutup ketel uap dan sambungan-sambungan pipa uap, karena dengan adanya kebocoran uap akan sangat mempengaruhi jumlah minyak yang akan dihasilkan.


50

Tugas Akhir

2. Proses destilasi sebaiknya dilakukan di tempat yang terlindung dari angin, karena akan mengganggu sumber kalor sehingga proses destilasi menjadi tidak stabil. 3. Bahan yang akan didestilasi sebaiknya berasal dari sumber yang sama agar kualitasnya tidak jauh berbeda, dan pastikan bahwa bahan baku tidak tercampur dengan tanaman yang berbeda serta tidak terdapat jamur pada bahan, karena akan mengurangi minyak yang akan dihasilkan. 4. Mengganti sistem pengunci mur-baut pada tutup ketel dengan yang lebih praktis. 5. Menggunakan bahan perapat yang lebih tebal pada penutup ketel untuk meminimalisir kebocoran uap.


51

Tugas Akhir

DAFTAR PUSTAKA

1. Guenther, Ernest, “Minyak Atsiri (Vol. I)” , Universitas Indonesia Press, Jakarta, 1994 2. Holman, J.P.,”Perpindahan Kalor”, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1994 3. Koestoer, Raldi A., “Perpindahan Kalor untuk Mahasiswa Teknik”, Salemba Teknika, 2002 4. Kataren S., dan Djatmiko B. MinyakAtsiri Bersumber Dari Daun, Departemen Teknologi Pertanian Fatameta IPB, Bogor, 1978

5. Yusanto, HG., Pengaruh Variasi Massa Daun dan Batang Nilam Terhadap Rendemen dan Waktu Kritis Yang dihasilkan, Skripsi SI Jurusan Teknik Mesin UNTAR, Jakarta, 2000


52

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA

Recommend Documents