A. STUDI KINERJA PENYULINGAN MNYAK NILAM IKM
3. Kinerja dan Efisiensi Alat Penyulingan IKM Berdasarkan Proses
a. Boiler Skala IKM
Boiler skala IKM tidak memiliki katup pengatur, baik panas yang
masuk ke boiler maupun pengatur tekanan dalam boiler. Ketiadaan katup pengatur pada boiler membuat uap air yang terbentuk di boiler masuk ke dalam ketel, tidak dapat diatur. Uap air yang dihasilkan di boiler langsung dialirkan ke dalam ketel suling.
Laju uap yang masuk ke dalam ketel suling dari boiler tidak dapat diatur. Dengan demikian, tekanan uap yang dihasilkan di boiler tidak terlalu besar untuk mengekstrak minyak nilam. Tekanan uap yang dihasilkan diperkirakan tidak lebih dari 1 bar gauge. Tekanan uap yang rendah tentunya akan sulit untuk mengekstrak komponen-komponen bertitik didih tinggi dalam minyak nilam. Oleh karena itu, penyulingan di skala IKM ini memerlukan waktu yang lama yaitu 8 jam.
Penyulingan yang memerlukan waktu lama, tentunya akan membutuhkan bahan bakar yang lebih banyak pula. Namun banyaknya jumlah bahan bakar belum tentu dapat memaksimalkan proses pembentukan uap air di boiler. Kebutuhan bahan bakar dan jumlah uap air yang terbentuk dapat dilihat dalam Tabel 5.
Tabel 5. Kebutuhan kayu bakar terhadap jumlah uap air yang terbentuk
No. Keterangan Jumlah
1. Jumlah total kayu yang digunakan
(K.A = 20 %) 173,49 kg
2. Total energi yang dihasilkan kayu 3.365,98 MJ
3. Jumlah total air yang diuapkan 446 liter
4. Total energi uap yang dihasilkan 1.141,66 MJ
5. Lama waktu penyulingan 8 jam
6. Rata-rata energi yang dihasilkan
kayu bakar/jam 420,75 MJ
7. Rata-rata energi uap yang
dihasilkan/jam 142,71 MJ
8. Efisiensi energi dalam boiler 33,92 %
Berdasarkan data dalam Tabel 5, maka energi dari kayu bakar sebesar 420,75 MJ/jam dari kayu sebanyak 28,92 kg. Namun energi yang dihasilkan kayu bakar tidak seluruhnya digunakan untuk memproduksi uap. Energi dari kayu yang digunakan untuk membentuk uap hanya sebesar 142,71 MJ/jam sedangkan sisanya loss ke udara atau lingkungan sekitar. Dengan demikian, efisiensi penggunaan energi dalam boiler hanya sebesar 33,92 %.
b. Ketel Suling Skala IKM
Kinerja dan efisiensi ketel suling skala IKM berdasarkan kondisi proses, dapat dilihat dari kerapatan pengisian bahan ke dalam ketel dan peristiwa penetrasian uap dalam ketel. Bila dilihat dari ukuran ketel suling skala IKM, jumlah nilam kering yang dapat dimasukkan dalam satu kali proses penyulingan sebanyak 100 kg. Namun dalam pelaksanaannya, pengisian nilam kering ke dalam ketel dapat mencapai 160 kg. Bobot rata-rata nilam kering yang dimasukkan ke dalam ketel untuk satu kali proses penyulingan sebanyak 154,5 kg.
Kerapatan bahan (nilam kering) yang dimasukkan ke dalam ketel suling akan mempengaruhi kemampuan uap berpenetrasi ke dalam bahan (Anggraeni, 2003). Rata-rata kepadatan bahan yang digunakan pada skala IKM dalam proses penyulingan nilam sebesar 0,154 kg/liter. Pengisian bahan ke ketel yang melebihi kapasitas dapat menurunkan kinerja ketel suling. Kerapatan bahan yang tidak optimal dapat menyebabkan uap tidak dapat berpenetrasi dengan baik ke dalam bahan. Kerapatan pengisian bahan yang tidak merata menyebabkan terjadinya jalur uap (rat hole). Jalur uap tersebut dapat menyebabkan kehilangan uap sehingga uap air tidak dapat mengikat minyak dari jaringan-jaringan kantung minyak tanaman nilam. Fenomena jalur uap terjadi karena uap akan cenderung mencari celah di antara ruang antar bahan yang mudah ditembus (Ketaren, 1985). Jalur uap yang terjadi dalam ketel suling skala IKM dapat dilihat seperti pada Gambar 13.
Gambar 13. Fenomena jalur uap dalam ketel skala IKM
Pada proses penyulingan skala IKM tidak diterapkan kondisi proses tertentu seperti kondisi tekanan yang digunakan di dalam ketel suling. Dengan demikian, tekanan di dalam ketel selama proses penyulingan skala IKM dianggap konstan. Hal tersebut dikarenakan ketel suling tidak dilengkapi dengan katup pengatur tekanan dalam ketel, katup
pengatur laju uap yang keluar dari ketel, dan pengukur tekanan dalam ketel (manometer gauge). Tidak adanya penggunaan katup pengatur tekanan uap yang masuk ke dalam ketel, membuat uap yang masuk ke dalam ketel fluktuatif, tergantung dari jumlah uap yang dihasilkan dari
boiler. Laju uap yang keluar dari ketel juga fluktuatif karena tidak
adanya katup pengatur laju uap yang keluar dari ketel. Dengan demikian, laju uap yang keluar menjadi destilat tidak dapat dipertahankan pada laju tertentu.
Berdasarkan tingkat kerapatan bahan, semakin tinggi kerapatan bahan, semakin tinggi laju rata-rata destilatnya (Anggraeni, 2003). Namun demikian, laju rata-rata destilat dalam proses penyulingan skala IKM masih tergolong rendah sehingga tidak sesuai dengan tingkat kerapatan bahan dalam ketel. Hal tersebut disebabkan pengisian yang terlalu padat sehingga uap tertahan dan sulit untuk menembus bahan. Uap yang telah melewati bahan dalam ketel umumnya mengandung minyak. Bila jalan uap yang mengandung minyak tersebut terhambat maka rendemen yang diperoleh akan menurun akibat uap terkondensasi lebih awal (Guenther, 1947). Keterkaitan laju destilat dengan tingkat kerapatan dapat dilihat pada Tabel 6.
Tabel 6. Keterkaitan tingkat kerapatan bahan dengan laju destilat
No. Keterangan Penyulingan
1
Penyulingan 2
Penyulingan 3
1. Bobot nilam yang
disuling 159 kg 160 kg 161 kg 2. Kerapatan nilam 0,159 kg/liter 0,160 kg/liter 0,161 kg/liter
3. Laju destilat yang terhitung 37,99 liter/jam 40,98 liter/jam 69 liter/jam 4. Laju destilat optimal 95,4 liter/jam 96 liter/jam 96,6 liter/jam
Data pada Tabel 6 menunjukkan bahwa dari tiga penyulingan, peningkatan kerapatan pengisian nilam dalam ketel berbanding lurus dengan peningkatan laju destilatnya. Peningkatan laju destilat terjadi secara signifikan pada penyulingan ketiga. Hal ini disebabkan api yang digunakan lebih besar daripada penyulingan pertama dan kedua. Oleh karena itu, kemungkinan terbentuknya tekanan uap yang besar. Namun demikian, dari tiga data penyulingan tersebut, tidak ada satu pun proses penyulingan skala IKM yang mencapai batas optimal laju destilat yang sesuai dengan bobot nilam yang disuling dalam ketel. Nyala api yang besar pada penyulingan ketiga belum dapat menghasilkan laju destilat optimal sebesar 96,6 liter/jam. Hal ini disebabkan tekanan di boiler dan ketel yang dihasilkan belum cukup tinggi.
Ketiadaan kondisi proses tertentu yang diterapkan dalam ketel suling skala IKM, menjadikan kehilangan panas yang terjadi di ketel selama proses penyulingan fluktuatif. Hal ini terlihat dari grafik kehilangan panas dalam Gambar 10. Pada kondisi proses ketel suling skala IKM, total kehilangan panas (energi) di ketel sebesar 59,02 MJ. Sebagian besar kehilangan energi terjadi di dinding ketel sebesar 48,79 MJ. Jumlah kehilangan energi dalam sistem ketel secara rinci dapat dilihat dalam Tabel 7.
Tabel 7. Kehilangan energi di ketel suling skala IKM
No. Keterangan Jumlah (joule)
1. Energi dari pipa penghubung boiler-ketel 1.123,50 MJ
2. Kehilangan energi di tutup ketel 10,23 MJ
3. Kehilangan energi di dinding ketel 48,79 MJ
4. Energi keluar dari ketel 1.064,48 MJ
5. Efisiensi ketel 94,75 %
Berdasarkan data Tabel 7, energi yang masih dapat dipertahankan ketel sebesar 1.064,48 MJ. Rata-rata kehilangan energi pada bagian tutup ketel tiap jamnya sebesar 1,28 MJ. Rata-rata kehilangan energi pada
bagian dinding ketel tiap jamnya sebesar 6,10 MJ. Dengan demikian efisiensi energi dari ketel suling skala IKM yang diperoleh sebesar 94,75 %.
c. Kondensor Skala IKM
Kinerja kondensor skala IKM berdasarkan kondisi proses dilihat dari perlakuan yang diberikan pada air pendinginnya. Air pendingin yang digunakan dalam bak pendingin skala IKM bersistem batch. Sistem
batch ini berarti tidak ada penambahan air pendingin ataupun
pengeluaran air pendingin dari bak pendingin selama proses penyulingan berlangsung. Dengan demikian akan terjadi akumulasi panas pada lapisan bagian atas air pendingin. Semakin bawah lapisan air pendingin maka suhu air pendingin menurun menuju suhu air pendingin yang masuk di awal penyulingan sesuai dengan prinsip pindah panas (McCabe, 2005), sebelum terjadi pindah panas dari pipa kondensor. Selain itu, semakin lama waktu penyulingan, suhu air pendingin bagian lapisan atas akan semakin panas. Peningkatan suhu air pendingin tersebut disebabkan oleh akumulasi panas pada lapisan bagian atas air pendingin (McCabe, 2005). Hal ini dapat terlihat pada Lampiran 1.
Bermula dari hubungan kenaikan suhu destilat dan air pendingin terhadap waktu, maka diperoleh data rata-rata pada kondensor sebagai berikut :
1. Jumlah rata-rata air pendingin dalam setiap proses penyulingan skala IKM sama yaitu sebesar 6.163,2 liter.
2. Rata-rata laju destilat yang digunakan 0,26 liter/kg bahan/jam. 3. Rata-rata laju destilat tersebut menghasilkan rata-rata suhu destilat
35,91 °C.
4. Rata-rata selisih suhu air pendingin 53,48 °C.
Rata-rata selisih suhu air pendingin diperoleh berdasarkan rumus : ∆T = (T steam – Ta in) – (T steam – Ta out)
Ln (T steam – Ta in) (T steam – Ta out) (Ketaren, 1985).
Berdasarkan data-data tersebut maka rata-rata total keseluruhan kalor yang dilepaskan dari kondensor dalam sekali proses penyulingan sebesar 1.059,27 MJ. Efisiensi energi pada kondensor dapat dilihat dalam Gambar 14.
Gambar 14. Efisiensi energi kondensor IKM
Berdasarkan data dari Gambar 14 seluruh energi yang masuk ke dalam kondensor tidak dapat diserap seluruhnya oleh air pendingin. Penyerapan energi sebesar 75,62 % yang terjadi di kondensor mengakibatkan uap yang masuk ke dalam kondensor dapat diubah menjadi cairan, dalam hal ini berubah menjadi minyak nilam.
Laju destilat dalam sistem penyulingan skala IKM masih tergolong rendah karena tidak sesuai dengan jumlah nilam yang disuling di dalam ketel. Laju destilat yang rendah di skala IKM terkait dengan pengisian nilam dalam ketel yang terlalu padat. Kemungkinan besar uap tertahan dalam nilam di ketel dan terkondensasi kembali sebelum mengalir ke kondensor. Menurut Suryani et al., (2007), laju destilat optimal penyulingan nilam sebesar 0,6 liter/kg jam. Bila menggunakan standar laju destilat tersebut maka laju destilat yang optimal digunakan pada skala IKM seharusnya sebesar 92,7 liter/kg jam. Berdasarkan hal tersebut, laju destilat dalam proses penyulingan nilam skala IKM belum mencapai optimal. Laju destilat yang terlalu lambat tidak menyebabkan efisiensi kondensor rendah. Laju destilat tersebut akan berpengaruh
Kondensor dan Air pendingin (Efisiensi = 75,62 %) ∆T = 53,48 °C Energi steam (uap) 1.059,27 MJ Energi keluar (cair) 801,06 MJ
34.07 89.91 141.88 185.67 202.55 234.46 286.73 315.89 0 50 100 150 200 250 300 350 1 2 3 4 5 6 7 8 Jam ke-Jumlah destilat (liter)
langsung terhadap lama penyulingan. Laju destilat yang terlalu rendah akan memperpanjang waktu penyulingan.
Pada penyulingan skala IKM tidak terdapat pengaturan tekanan uap dalam ketel dan tidak ada pengaturan laju destilat. Dengan demikian, tekanan uap dalam ketel dianggap konstan. Hal tersebut ditandai dengan akumulasi jumlah destilat berbanding lurus dengan lama waktu penyulingan pada Gambar 15.
Gambar 15. Akumulasi destilat terhadap lama waktu proses penyulingan skala IKM