METODOLOGI Bahan dan Alat •
Bahan Bahan baku yang digunakan adalah akar wangi (Vetiveria
zizanioides Stapt) jenis Pulus Wangi yang berasal dari perkebunan akar wangi rakyat di Kecamatan Sukahardja Kabupaten Garut, Jawa Barat dalam keadaan telah bersih dari tanah dan telah kering. Sebelum digunakan dilakukan persiapan pendahuluan bahan baku untuk penyulingan meliputi proses pembersihan ( melepaskan tanah yang menempel pada akar), pengeringan ulang sampai diperoleh kadar air yang sesuai standar penyulingan, dan pengecilan ukuran (perajangan). Bahan pembantu adalah bahan kimia yang digunakan untuk pengujian sifat fisika kimia minyak akar wangi. Bahan kimia ini terdiri dari etanol, KOH, penophtalein, HCL, asam asetat anhidrit, natrium asetat anhidrat, akuades, NaCl, Na2SO4 anhidrid, Na2CO3, dan toluen. •
Alat Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah :
1. Termometer ruang Alat ini berbentuk batang yang menggunakan prinsip pengembangan volume alkohol sebagai parameter pengukuran suhu dengan ketelitian 10C. 2. Chino recorder Alat ini menampilkan suhu yang diukur oleh sensor yang berupa termokoppel dengan suhu minimum yang dapat diukur – 500C dan suhu maksimum 1500C. Ketelitian alat ini adalah 20C. 3. pencatat waktu (stop watch) 4. Alat-alat gelas : gelas ukur 100 ml dan 1 liter, gelas piala 100 ml dan 1 liter, botol penampung, corong, labu distilasi, penampung distilat, pendingin tegak, tabung pengering yang berisi silika gel atau kalsium klorida kering. 5. Peralatan yang digunakan dalam percobaan penyulingan dengan sistem penyulingan dengan uap langsung (steam distillation) terdiri dari boiler, pressure ruducing valve (PRV), ketel penyuling (retort), alat pendingin (kondensor),alat penampung dan pemisah minyak (separator). Skema sistem penyulingan uap langsung (steam distillation) disajikan pada Gambar 2.
22
g
c
k
a
Ketel Suling d
j Boiler
kondensor
Kondenso e h
i
b
f
Air & Minyak Separator
Keterangan : a, b, c : Indikator tekanan ; i : Pressure Reducing Valve (PRV) d, f, g : katup pengatur tekanan/valve
h : strainer k, j : indikator suhu
Gambar 2. Skema sistem penyulingan uap langsung (steam distillation) 1. Ketel Uap (Boiler) Boiler yang digunakan adalah ketel dengan pemanas listrik dengan daya 9 KW, menghasilkan tekanan uap maksimum 8 bar dengan aliran uap rata-rata sekitar 9,08 kg/jam. Pengaturan tekanan kerja boiler menggunakan pengatur tekanan (pressure gauge), sedangkan pengumpan air menggunakan pompa yang bekerja otomatis atas dasar ketinggian air didalam boiler. Uap yang dihasilkan dari boiler ini dialirkan ke dalam ketel suling melalui pipa uap dari sebuah katup berputar. Jumlah aliran uap air dengan besar kecilnya pembukaan katup ini. Safety valve (katup pengaman) merupakan alat yang berguna untuk mengeluarkan uap yang berlebihan yang berada dalam boiler. Uap yang berlebihan apabila tidak dikeluarkan akan menyebabkan terjadinya peningkatan tekanan dalam boiler sehingga mengakibatkan dinding boiler pecah. Katup akan membuka pada saat tekanan dalam boiler melabihi tekanan yang telah ditentukan. Alat penduga tinggi air berguna untuk mengetahui seberapa banyak air yang terdapat dalam boiler. Air dalam boiler harus dijaga agar tidak kekurangan. Pengisian air dalam boiler dilakukan secara otomatis oleh pompa air. Jika air 23
dalam boiler sudah melewati batas minimal. Maka pompa akan hidup sehingga kekurangan air dapat diatasi. Pressure gauge atau manometer adalah alat penduga tekanan dalam boiler. Tekanan dalam boiler perlu diketahui setiap saat untuk menghindari terjadinya tekanan yang melebihi tekanan yang diperbolehkan atau tekanan yang melibihi kekutan boiler. Pipa uap merupakan pipa tempat keluarnya uap yang dihasilkan oleh boiler. Tekanan dalam boiler perlu diketahui setiap saat untuk menghindari kehilangan panas yang dapat menyebabkan pengkondensasian uap dalam pipa. Selain itu isolasi juga dapat mengurangi kebocoran uap sehingga meningkatkan efisiensi penyulingan. Isolasi yang digunakan adalah serat asbes. 2. Pressure Reducing Valve (PRV) Pressure Reducing Valve (PRV) yang digunakan adalah tipe BRV2 dengan spring code warna hijau yang mampu mengontrol tekanan keluar antara 1.4 – 4.0 bar. Pressure Reducing Valve (PRV) disebut katup penurun tekanan yang dapat menurunkan tekanan berlebih pada pelepasan uap utama. PRV dilengkapi dengan strainer, Pressure gauge dan Savety valve. Fungsi Pressure gauge dan Savety valve sama seperti yang ada pada boiler yang telah dijelaskan terdahulu. Dalam sistim steam dan kondensat, kerusakan pabrik seringkali diakibatkan oleh kotoran-kotoran pada saluran pipa seperti kerak, karat, persenyawaan pada sambungan, pengelasan logam dan padatan lainnya, yang dapat masuk menuju sistim pemipaan. Strainer adalah peralatan yang menangkap padatan tersebut dalam cairan atau gas, dan melindungi peralatan dari pengaruh-pengaruh yang membahayakan, dengan begitu
mengurangi waktu penghentian dan perawatan. Strainer harus
dipasang pada bagian hulu pada setiap steam trap, pengukur aliran dan kran kendali. Kerak pipa dan kotoran dapat mempengaruhi kran pengendali dan steam traps, dan menurunkan laju perpindahan panas (Spiraxsarco, 2008).
Dengan adanya PRV ini laju uap yang masuk ke ketel suling dapat diatur dengan cara mengatur valve yang ada pada pipa penghubung ketel suling dengan kondensor. 3. Ketel Suling Ketel suling yang digunakan terbuat dari stinless steel. Ketel
suling
berkapasitas 90.5 liter dengan diameter 40 cm dan tinggi 78 cm. Ketel suling ini dilapisi dengan insulator glass wool. Jalur masuk uap berada dibagian bawah. Uap 24
didistribusikan melalui pipa melingkar berpori. Jalur uap keluar berada dibagian atas ketel. Dasar ketel suling berbentuk cekung dengan dilengkapi sebuah kran yang berguna untuk mengeluarkan uap yang terkondensasi dalam ketel sehingga air hasil kondensasi ini tidak akan menutupi pipa distribusi uap yang bisa menyebabkan penetrasi uap kedalam bahan yang tidak sempurna. Hal ini disebabkan karena uap yang mengenai bahan merupakan uap basah yang akan membasahi bahan dan akan menggumpalkan bahan. Pada saat penyulingan kran ini harus terus dikontrol agar pipa distribusi tidak terendam apalagi sampai merendam bahan yang akan disuling. Selain itu kran ini juga berfungsi untuk saluran pembuangan air cucian pada saat ketel suling ini dibersihkan. Besarnya tekanan dan suhu dalam ketel suling dapat dideteksi melalui sensor tekanan yang terpasang pada bagian atas (header) ketel suling. Tekanan dan jumlah uap yang masuk dapat diatur dengan mengatur besar kecilnya pembukaan katup masuk dari ketel dan katup keluar uap ke kondensor, katup ini juga dipasang pada aliran uap (steam) dari boiler. 4. Kondensor Kondensor yang digunakan adalah penukar panas berbentuk spiral dengan diameter pipa spiral 19 inchi, panjang pipa spiral adalah 9 m. Kondensor yang digunakan terbuat dari stainless steel, media pendingin menggunakan air yang dialirkan secara berlawanan arah (countercurrent flow). Penukar kalor spiral (Spiral Heat Exchanger, SHE) pada prinsipnya terbuat dari dua lembaran plat yang disusun sejajar dengan celah di antara keduanya. Kedua Plat ini bersama-sama digulung 1 diroll membentuk
spiral yang
konsentris. Untuk proses kondensasi fluida kerja kedua yang berfungsi sebagai pendingin fase cair mengalir secara konsentris melalui alur spiral yang tertutup . Sementara itu luida kerja pertama yang semula berfase uap dialirkan secara tegak lurus terhadap fluida kerja kedua hingga terjadi proses pengembunan di antara celah spiral. Untuk kecepatan aliran tertentu pada tube yang lurus hanya menyebabkan aliran laminar, pada kecepatan yang sama lengkungan spiral di SHE menyebabkan turbulensi tinggi sehingga meningkatkan efisiensi perpindahan kalor dengan faktor pengotoran kecil . Alat ini selain efektif untuk menangani fluida dengan berbagai variasi viskositas, dapat pula dibuat dengan berbagai logam yang mudah dibentuk (cold-formed) (http://digilib.batan.go.id/ sipulitbang/ abstrak.php?id=0640. [24 Februari 2008].
25
5. Penampung dan Pemisah Minyak (separator) Separator merupakan alat penampung distilat yang keluar dari kondensor dan sekaligus pemisah minyak dari air. Air dan minyak tidak akan saling larut sehingga dengan adanya gaya gravitasi maka minyak dan air tersebut akan memisah karena perbedaan berat jenis. Minyak yang memiliki berat jenis lebih rendah dari air maka akan berada diatas (mengapung), begitu juga sebaliknya pada minyak yang berat jenisnya lebih besar dari air maka akan berada dibawah (mengendap). Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilakukan di Laboratorium Teknologi Kimia dan Pengawasan Mutu Departemen Teknologi Industri Pertanian-IPB; Bangsal Atsiri dan Laboratorium Kimia Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen Pertanian Bogor dan Balai Penelitian Tanaman Obat dan Aromatik, Bogor. .
Pelaksanaan kegiatan penelitian terdiri dari
penelitian pendahuluan
dilaksanakan pada bulan September 2007 dan penelitian utama dilaksanakan pada bulan Mei hingga Agustus 2008. Tahapan Penelitian Penelitian Pendahuluan Perlakuan yang digunakan pada penelitian pendahuluan ini adalah tekanan dan laju alir uap dilakukan secara konstan. Penelitian tahap ini bertujuan untuk mendapatkan gambaran tentang kondisi penyulingan pada tekanan konstan sebagai kontrol dan acuan untuk percobaan selanjutnya. Pada tahap ini dilakukan penyulingan menggunakan tekanan 1 bar, 2 bar dan 3 bar sampai akhir penyulingan yaitu sampai minyak sudah tidak menetes lagi. Sedangkan laju alir uap yaitu sebesar 1 – 2 liter/jam/kg bahan. Jumlah bahan baku untuk setiap percobaan penyulingan adalah 3 kg akar wangi kering. Penyulingan dilakukan selama 9 jam. Setiap jam selama penyulingan berlangsung, dilakukan sampling minyak akar wangi yang tersuling dan diukur volumenya. Dari evaluasi terhadap volume minyak tersuling dan hasil analisa sifat fisiko kimia dari setiap sampel minyak pada penelitian ini akan ditentukan saat yang tepat berdasarkan kelompok titik didih senyawa-senyawa yang terdapat pada minyak akar wangi untuk menaikkan tekanan uap secara bertahap. Minyak akar wangi hasil penelitian ini juga akan dijadikan standar atau pembanding kualitas minyak akar wangi yang dihasilkan 26
pada penelitian dengan variasi tekanan uap dan laju alir secara bertahap (penelitian utama). Penelitian Utama Perlakuan-perlakuan yan gdilakukan pada penelitian utama ini yaitu peningkatan tekanan uap (P) secara bertahap dan laju alir uap (V). Tekanan uap dinaikkan secara bertahap berdasarkan hasil penelitian pendahuluan yaitu : 1. Jam ke-0 sampai jam ke-2, tekanan uap 2 bar 2. Jam ke-3 sampai jam ke-5, tekanan uap 2.5 bar 3. Jam ke-6 sampai jam ke- 9, tekanan uap 3 bar Laju uap yang akan digunakan yaitu 1 liter/jam/kg bahan, 1.5 liter/jam/kg bahan, dan 2 liter/jam/kg bahan. Rancangan perlakuan tahapan penyulingan diatas sebagai berikut : V1 : Tekanan uap 2 bar, 2.5 bar, dan 3 bar secara bertahap selama proses distilasi dengan laju alir distilasi 1 liter/jam/kg bahan. V2 : Tekanan uap 2 bar, 2.5 bar, dan 3 bar secara bertahap selama proses distilasi dengan laju alir distilasi 1.5 liter/jam/kg bahan. V3 : Tekanan uap 2 bar, 2.5 bar, dan 3 bar secara bertahap selama proses distilasi dengan laju alir distilasi 2 liter/jam/kg bahan. V4 : Tekanan uap 2 bar, 2.5 bar, dan 3 bar secara bertahap dengan laju alir distilasi bertahap (1, 1.5 dan 2 liter/jam/kg bahan) selama proses distilasi. Minyak akar wangi yang diperoleh diklasifikasikan atas tiga fraksi berdasarkan bobot molekulnya yaitu fraksi 1 (hasil tekanan 2 bar), fraksi 2 (hasil tekanan 2.5 bar), dan fraksi 3 (hasil tekanan 3 bar). Minyak akar wangi yang dihasilkan dari penyulingan dievaluasi sifat fisik dan kimianya. Prosedur Penelitian Metode penyulingan yang digunakan adalah penyulingan dengan sistem uap langsung (steam distillation). Sebelum proses penyulingan, dilakukan pengukuran kadar air dan kadar minyak atsiri terhadap bahan baku akar wangi yang digunakan. Diagram alir proses penyulingan minyak akar wangi disajikan pada Gambar 3.
27
Karakterisasi bahan baku akar wangi (kadar air, kadar minyak atsiri)
Perlakuan bahan sebelum Penyulingan (preparation) (Akar wangi dibersihkan, dikeringkan, dan dicacah)
Pemasukan bahan (loading) (Akar wangi dimasukkan ke dalam ketel suling (retort))
Penyulingan akar wangi
Penyulingan (distillation) (Tekanan konstan 1,2,3 bar)
Penyulingan (distillation) (Tekanan bertahap 2, 2.5, 3 bar, laju uap air 1 – 2 l/jam/kg bahan)
Penyulingan (distillation) (Tekanan bertahap 2, 2.5, 3 bar, laju uap air bertahap 1 – 2 l/jam/kg bahan)
Kondensasi (condensation) (Uap air dan minyak didinginkan)
Pemisahan (separation) (Minyak akar wangi dipisahkan dari air) Analisis (Analisis sifat fisika-kimia G (mutu), rendemen dan efisiensi energi)
Gambar 3. Diagram alir proses penyulingan minyak akar wangi
Operasi penyulingan dilakukan terlebih dahulu dengan memeriksa kelengkapan alat suling. Sekrup-sekrup yang ada dipasang. Tutup ketel dipastikan terkunci dengan rapat untuk menghindari kebocoran. Monitor suhu dan tekanan 28
dihidupkan. Uap dialirkan dari boiler dan diatur tekanannya. Sebelum membuka katup uap yang masuk ke dalam ketel suling, katup pembuangan yang terletak di bagian bawah ketel dibuka untuk membuang kondensat yang masih ada pada pipa penyalur dari boiler. Tekanan dan suhu yang terjadi dalam ketel suling diamati pada indikator yang terdapat pada kepala ketel. Pengaturan tekanan dilakukan untuk mendapatkan tekanan yang ditentukan yaitu 2 bar, 2.5 bar, dan 3 bar dengan mengatur katup yang terdapat pada pressure reducing valve (PRV). Laju alir uap diatur dengan membuka katup yang terdapat pada pangkal kondensor dekat kepala ketel suling. Setelah itu proses penyulingan dimulai. Kondisi operasi meliputi laju alir uap, rasio minyak dan air, suhu distilat, suhu air pendingin, tekanan dan suhu dalam ketel suling dikontrol secara ketat. Perhitungan waktu penyulingan dimulai ketika kondensat pertama menetes, penyulingan dilakukan selama 9 jam yaitu ketika minyak tidak menetes lagi. Kondensat ini terdiri dari minyak dan air yang belum mengalami proses pemisahan. Kondensat ditampung dalam separator dan sekaligus minyak terpisah dari air. Minyak akar wangi hasil penyulingan kemudian diberi natrium sulfat anhidrat untuk mengikat air yang masih terbawa dan selanjutnya minyak ditampung dibotol sampel untuk dianalisa mutu.
Parameter Pengukuran 1. Berat awal bahan Berat bahan sebelum penyulingan diukur dengan menggunakan timbangan kiloan. Berat bahan merupakan berat bersih tanpa bonggol akar dan tanah. 2. Kadar air dan kadar minyak akar wangi Pengukuran kadar air bertujuan untuk mengetahui kandungan air yang terdapat di dalam bahan yang disuling, sedangkan pengukuran kadar minyak bertujuan untuk mengetahui jumlah minyak yang terdapat di dalam bahan yang akan disuling serta persentase recovery penyulingan. Pengukuran air untuk bahan-bahan yang mempunyai komponen volatil adalah dengan sistem distilasi. Pengukuran kadar ini memerlukan alat aufhauser. Prosedur pengukuran kadar air adalah, bahan ditimbang sebanyak 30 gram dan
29
kemudian dimasukkan dalam erlemeyer 500 ml. Kemudian ditambah dengan touluen sampai bahan terendam, Erlemeyer tersebut kemudian disambungkan dengan aufhauser dan di refluks selama 24 jam. Volume air yang terdistilasi dibaca pada tabung aufhauser. Kadar air (basis basah) =
berat air (g) × 100% bobot contoh (g)
Pengukuran kadar minyak
dalam bahan menggunakan alat distilasi
clavenger. Minyak yang terekstrak akan tertampung dalam tabung clavenger dan terpisah dengan air. Prosedur pengukuran kadar minyak adalah bahan ditimbang sebanyak 20 gram kemudian dimasukkan dalam erlemeyer 500 ml dan ditambah air sampai semua bahan terendam oleh air. Penyulingan dilakukan selama 24 jam. Volume minyak yang tersuling dibaca pada tabung clavenger. Kadar minyak (ba sis basah) =
berat minyak (g) × 100% bobot bahan (g)
3. Volume minyak Jumlah minyak yang dihasilkan diukur dengan menggunakan gelas ukur 100 ml. Volume minyak hasil penyulingan diukur setelah proses penyulingan selesai dengan memisahkan terlebih dahulu minyak dengan air dengan menggunakan corong pemisah. Gelas ukur yang akan digunakan untuk menghitung volume minyak dikeringkan terlebih dahulu untuk menhindari adanya butiran air yang akan mengganggu pengukuran. Setelah pengukuran volume, minyak hasil penyulingan ditimbang dengan menggunakan timbangan analitik dengan tingkat ketelitian 0.0001 g. 4. Volume air hasil kondensasi pada kondensor Volume air yang dihasilkan dari proses kondensasi campuran uap air dengan minyak pada kondensor diukur dengan menampung semua air yang terkondensasi setelah dipisahkan terlebih dahulu dari minyak akar wangi hasil penyulingan. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan gelas ukur. 5. Volume air yang terkodensasi di dalam ketel Volume air yang terkondensasi didalam ketel diukur setiap jam selama proses selama proses penyulingan dengan membuka katup pembuangan yang
30
terdapat pada bagian bawah ketel, air kondensat tersebut ditampung dengan menggunakan gelas piala 1 liter. Kemudian diukur dengan menggunakan gelas ukur 1 liter. 6. Tekanan Tekanan di dalam ketel penyuling diukur dengan indikator pressure gauge yang terdapat pada tutup ketel suling. Tekanan disesuaikan dengan kondisi penyulingan yang diinginkan. 7. Suhu Suhu yang diamati adalah : a. Suhu udara lingkungan yang diukur secara periodik dengan termometer ruang b. Suhu didalam ketel dihitung berdasarkan tabel steam. c. Suhu air pendingin yang masuk kedalam kondensor, diukur secara periodik dan on line oleh chino recorder yang dihubungkan dengan termokoppel pada air yang masuk ke kondensor. d. Suhu air pendingin yang keluar dari kondensor, diukur secara periodik dan on line oleh chino recorder yang dihubungkan dengan termokoppel pada air yang keluar dari kondensor. e. Suhu distilat yang keluar dari kondensor. Diukur secara periodik dengan termometer alkohol pada distilat (campuran air dan minyak) yang keluar dari kondensor. f. Suhu luar tutup ketel. Diukur secara periodik dengan termokoppel digital pada permukaan luar tutup ketel. g. Suhu luar bagian bawah ketel. Diukur secara periodik dengan termokoppel digital pada bagian permukaan luar tutup bawah ketel. h. Suhu dinding luar ketel. Diukur secara periodik dengan termokoppel digital pada bagian permukaan luar dinding ketel. i. Suhu luar lapisan isolator. Diukur secara periodik dengan termokoppel digital pada bagian permukaan luar lapisan isolator. j. Suhu pipa penghubung ketel dengan kondensor. Diukur dengan termokoppel pada bagian permukaan pipa penghubung antara ketel dengan kondensor.
31
8. Rendemen Rendemen minyak ditentukan berdasarkan perbandingan antara volume minyak yang dihasilkan dengan berat awal bahan yang disuling. Persamaannya sebagai berikut : Berat minyak (g) Rendemen (%) =
X 100 % Berat sampel sebelum disuling (g)
9. Laju uap selama penyulingan Laju uap diukur dengan menjumlahkan uap yang terkondensasi oleh kondensor dengan uap yang terkondensasi didalam ketel serta dijumlahkan dengan selisih berat bahan setelah penyulingan dengan berat bahan awal. Tujuannya untuk mengetahui konsumsi uap yang digunakan selama penyulingan. 10. Laju air pendingin Laju air pendingin dihitung dengan mengukur debit air pendingin dengan mengisikan gelas piala 1 liter dengan air pendigin keluaran dari kondensor bersamaan dengan hal tersebut waktu yang dibutuhkan untuk mengisi gelas piala tersebut juga diukur dengan menggunakan stopwatch selama selang waktu tertentu. Tujuannya untuk mengetahui jumlah air yang digunakan untuk mengembunkan uap dari ketel suling selama penyulingan 11. Konsumsi Energi Untuk menentukan jumlah energi yang dipakai selama penyulingan, maka dilakukan perhitungan berdasarkan energi yang terpakai dikalikan dengan waktu penyulingan. 12. Analisa Mutu Kimia Minyak Akar Wangi Mutu minyak akar wangi dibandingkan dan dilakukan sesuai dengan SNI minyak akar wangi yaitu SNI 06-2386-2006. Analisa yang akan dilakukan meliputi bau/aroma, bobot jenis, indeks bias, putaran optik, kelarutan dalam etanol 95%, bilangan asam, bilangan ester dan bilangan ester setelah asetilasi.
32
Analisis Pindah Panas dan Energi Proses Penyulingan •
Perhitungan Pindah Panas Panas yang harus dilepaskan adalah panas penguapan yang besarnya sama
dengan panas pengembunan atau berdasarkan asas Black Q = Qair = Q minyak Qminyak = mw Cp (Tk – Tw) dimana : Q = panas yang dihasilkan, J/s Mw = massa air yang diupkan, kg Cp= panas jenis air, J/kg0C Tw= suhu air masuk boiler, 0C Tk = suhu air pendingin keluar kondensor ,0C
(4)
Perpindahan panas dalam sistim dapat dihitung dengan persamaan (1): Perbedaan suhu rata-rata logaritmik (logarithmic mean temperature difference) dapat dihitung dengan persamaan (2), luas penampang pindah panas dapat dihitung : A = π DL Sehingga koefisien pindah panas total (U) dapat dihitung dengan persamaan : U =
dimanan : A
Q A ∆Τ LMTD
(5)
= luas penampang/permukaan pindah panas,m2
D = diameter pipa,m L = panjang pipa, m ∆TLMTD=perbedaan suhu rata-rata logaritmik ((logarithmic mean temperature difference) •
Analisis Energi Proses Penyulingan Analisis energi selamam proses penyulingan dilakukan dengan menghi-
tung energi yang masuk ke sistem berupa energi yang dibutuhkan untuk memproduksi uap air (steam), energi yang dimanfaatkan ketel suling untuk mengekstrak minyak, energi yang keluar dari sistem dan kehilangan energi. Energi listrik yang digunakan boiler diabaikan. 33
1. Energi yang dibutuhkan untuk menguapkan air Energi untuk mengubah air menjadi uap (steam) dapat dihitung dengan persamaan berikut : a. Qu = Mw Cp(Tda – Tw) b. Panas Laten uap: QS = (MS LS) + (MS Cps (Ts – Tda)) Panas yang dibutuhkan oleh boiler : QB = QU + QS atau QB ={[(MwCp (Tda – Tw))+ (MS LS) + (MSCps (Ts – Tda)]}
(6)
dimana : Qu QS QB Mw MS Cp Cps Tda TS Tw Ls
= energi untuk pemanasan air, kJ, kKal = panas latent uap, kJ, kKal = panas yang dibutuhkan oleh boiler untuk menguapkan air, KJ = massa air yang diuapkan, kg = masa uap yang dihasilkan, kg = panas jenis air, kJ/kg0C = panas jenis uap, kJ/kg0C = titik didih air, 0C = suhu uap, 0C = suhu air masuk, 0C = panas laten penguapan, kJ/kg
Panas yang dihasilkan oleh boiler tidak seluruhnya digunakan untuk penyulingan, tetapi ada sebagian panas yang hilang ke lingkungan melalui pipa uap, dinding ketel suling, tutup ketel suling, tutup bawah ketel suling dan pipa penghubung ke kondensor secara konveksi. a. Permukaan pipa uap Bagian permukaan pipa uap diasumsikan sebagai pipa silider horisontal dan vertikal. Bagian pipa Vertikal Kehilangan panas melaui pipa uap vertikal dapat dihitung menggunakan persamaan Newton sebagai berikut : Q Lpv = h Ap (Top – T∞) Dimana : Q Lpv = panas yang hilang melalui pipa vertikal, kJ h = koefisien konveksi udara lingkungan, W/m2 0C Ap = Luas permukaan luar pipa,m2 Top = suhu dinding luar pipa, 0C T∞ = suhu udara lingkungan, 0C
(7)
34
Nilai h dapat dicari dengan persamaan dibawah ini : h= NuV k Lpu-1
(8)
Menurut McCabe (1999), Nu pada silinder vertikal dapat dicari dengan persamaan NuV = 0.59 ( GrPr)0.25 (9) 4 9 Untuk jangkauan 10 < GrPr <10 atau (10) NuV = 0.13 ( GrPr)0.333 9 12 Untuk jangkauan 10 < GrPr <10 dimana : k = Konduktivitas panas lingkungan, W/m2 0C Lpu = panjang pipa uap,m Bagian Horisontal Kehilangan energi melalui pipa uap horisontal dapat dihitung dengan persamaan Newton : Qhpu = h Ap (Top – T) (11) dimana : Qhpu = panas yang hilang melalui pipa uap horisontal, kJ h = koefisien konveksi udara lingkungan, W/m2 0C = Luas permukaan pipa uap horisontal, m2 AP Top = suhu dinding luar pipa uap, 0C T = suhu udara lingkungan, 0C Nilai h dapat dicari dengan persamaan dibawah ini : h = NuD k Du-1 dimana : k = Konduktivitas panas lingkungan, W/m2 0C Du = Diameter luar pipa uap,m Menurut Mc. Adam dalam Kamil dan Pawito (1983) Nu silinder horisontal Untuk 103
(12)
(13)
b. Dinding ketel suling Bagian dinding ketel diasumsikan sebagai pipa silider vertikal yang besar. Kehilangan energi melalui dinding ketel suling dapat dihitung dengan persamaan Newton (Kamil dan Pawito, 1983) : Q LD = h AD(Tod – T∞)
(14)
dimana : Q LD = Panas yang hilang melalui dinding ketel suling, kJ
35
h AD Tod
= koefisien konveksi udara lingkungan, W/m2 0C = Luas permukaan luar dinding ketel,m2 = suhu dinding luar ketel, 0C
T∞ = suhu udara lingkungan, 0C Nilai h dapat dicari dengan persamaan dibawah ini : h
=NuD k LD-1
(15)
dimana : k
= Konduktivitas panas lingkungan, W/m2 0C
LD
= tinggi dinding ketel suling,m
Menurut McCabe (1999), Nu pada silinder vertikal
dapat dicari dengan
persamaan 9 dan 10 : c. Tutup ketel suling Tutup ketel dapat diasumsikan sebagai plat horizontal yang sedang dipanaskan dari bawah. Kehilangan energi melalui tutup ketel suling dapat dihitung dengan persamaan Newton : QLT = h AT (Tot- T∞)
(16)
dimana : = Panas yang hilang melalui bagian horizontal tutup ketel suling, KJ QLT h = koefisien konveksi udara lingkungan, W/m2 0C = Luas permukaan luar tutup ketel,m2 AT Tot = suhu tutup ketel, 0C T∞ = suhu udara lingkungan, 0C Nilai h dapat dicari dengan persamaan dibawah ini : h = NuT k Dt-1
(17)
dimana : k
= Konduktivitas panas lingkungan, W/m2 0C
Dt
= diameter tutup ketel suling,m
Menurut McCabe (1999), Nu pada plat horisontal yang dipanaskan dari bawah dapat dicari dengan persamaan : NuB
= 0.27 ( GrPr)0.25
(18)
Untuk 105< GrPr <109 atau
36
d. Dasar ketel suling Bagian dasar ketel dapat diasumsikan sebagai plat horizontal yang sedang dipanaskan dari atas. Kehilangan energi melalui dasar ketel suling dapat dihitung dengan persamaan Newton (Kamil dan Pawito, 1983) : Q LB = h AB (Tob – T∞) (19) dimana : Q LB
= Panas yang hilang melalui dasar ketel suling, kJ
H = koefisien konveksi udara lingkungan, W/m2 0C AB = Luas permukaan luar dasar ketel,m2 Tob = suhu luar dasar ketel, 0C T∞ = suhu udara lingkungan, 0C Nilai h dapat dicari dengan persamaan dibawah ini : h = Nut k DB-1 dimana : k DB
(20)
= Konduktivitas panas lingkungan, W/m2 0C = diameter dasar ketel suling,m
Menurut McCabe (1999), Nu pada plat horisontal dapat dicari dengan persamaan : (21) NuB = 0.54 ( GrPr)0.25 5 10 Untuk 3x10 < GrPr <3x10 (22) NuB = 0.14 ( GrPr)0.333 7 12 Untuk 2x10 < GrPr <3x10 Total panas yang hilang adalah : QL total = QLP + QLD + QLT + QLB 2. Energi yang dimanfaatkan oleh ketel suling : Energi masuk ke ketel = QB Energi yang dimanfaatkan ketel untuk mengekstrak minyak dapat dihitung dengan persamaan : QD = (Mad hg)
(23)
dimana: QD = panas yang dimanfaatkan oleh ketel, kJ Mad = massa air distilat, kg hg = entalpi uap air, kJ/kg Efisiensi ketel suling :
ηD = Q
D
QB
×100 %
(24)
3. Kondesor Energi yang hilang akibat perpindahan panas secara konveksi pada : 37
a. Pipa penghubung ketel suling dengan kondesor. Bagian pipa Vertikal Kehilangan energi melalui pipa vertikal penghubung ketel suling dengan kondesor dapat dihitung dengan persamaan Newton (Kamil dan Pawito, 1983) : Qv = h Ah(Toh– T∞) (25) dimana : = Panas yang hilang melalui pipa penghubung, kJ Qv h = koefisien konveksi udara lingkungan, W/m2 0C Ah = Luas permukaan pipa penghubung vertikal,m2 Toh T∞
= suhu dinding luar pipa penghubung, 0C = suhu udara lingkungan, 0C
Nilai h dapat dicari dengan persamaan dibawah ini : h = Nuh k Lop-1 dimana : k = Konduktivitas panas lingkungan, W/m2 0C Lop = panjang (tinggi) pipa penghubung,m
(26)
Menurut McCabe (1999), Nu pada silinder vertkal dapat dicari dengan persamaan 9 dan 10 : Bagian horisontal Kehilangan energi melalui pipa horisontal penghubung ketel suling dengan kondesor dapat dihitung dengan persamaan Newton : (27) Qh = h Ap (Top – T) dimana : Qh = Panas yang hilang melalui pipa penghubung, kJ h = koefisien konveksi udara lingkungan, W/m2 0C AP = Luas permukaan pipa penghubung horisontal, m2 Top = suhu dinding luar pipa penghubung, 0C T = suhu udara lingkungan, 0C Nilai h dapat dicari dengan persamaan dibawah ini : h = NuD k Dop-1 dimana : k = Konduktivitas panas lingkungan, W/m2 0C Dop = diameter luar pipa,m
(28)
Menurut McCabe (1999), Nu pada pipa penghubung ketel-kondensor horisontal dapat dicari dengan persamaan (13):
38
Efisiensi Kondensor Efisiensi kondensor dapat dihitung dengan menggunakan perhitungan sebagai berikut : Energi yang diserap air pendingin (QL) Efisiensi kondensor ( ηK) = x100% (29) Energi yang dimanfaatkan ketel (QD) Energi yang diserap air pendingin adalah : QL = Ma Cp (Tk – Tm) dimana : QL = energi yang diterima air pendingin, kJ Ma = massa air pendingin,kg Cp = kalor jenis air, (4190 J/kg0C Tm = suhu air pendingin masuk kondensor, 0C Tk = suhu air pendingin keluar kondensor, 0C 4. Energi Spesifik Energi spesifik adalah penggunaan energi
(30)
per kilogram minyak akar
wangi : Energi Spesifik =
Energi yang digunakan (MJ) Jumlah minyak (kg)
(31)
Aliran pemakaian energi pada proses penyulingan minyak akar wangi adalah sebagai berikut : Energi Masuk (QBB )
Boiler (QB ) Mw
(ηB) MS
Pembuangan
T1, W, Cp
Ketel Suling (QD ) (ηD)
(QLDTotal )
T2 , W, Cp Ma T, Cp
Kondensor (QL) (ηK)
QLPK
Gambar 4. Diagram alir aliran energi pada proses penyulingan minyak akar wangi
39
