A. STUDI KINERJA PENYULINGAN MNYAK NILAM IKM
2. Kinerja dan Efisiensi Disain Alat Penyulingan IKM
a. Boiler Skala IKM
Boiler pada sistem penyulingan minyak nilam skala IKM,
berada dalam boiler. Tungku yang digunakan terbuat dari batu bata sedangkan boiler terbuat dari drum seng. Boiler yang digunakan berbentuk silinder berdiameter 80 cm dan panjangnya 130 cm. Pengisian
boiler sebelum penyulingan sebanyak 367,5 liter atau setara dengan
56,27 % dari 653,12 liter kapasitas maksimal boiler. Jumlah rata-rata air yang diuapkan di boiler selama proses penyulingan sebesar 446 liter. Sketsa disain boiler skala IKM dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Sketsa disain boiler skala IKM (tampak depan) : (a) Boiler, (b) Tungku, (c) Ruang pembakaran, (d) cerobong
Prinsip kerja boiler skala IKM yaitu, api hasil pembakaran dalam tungku memanaskan air dalam boiler yang berada tepat di atas tungku. Pemanasan tersebut menghasilkan uap air (Santoso, 1990).
a b c d 950 mm 300 mm 1100 mm 800 mm 1390 mm 1240 mm 800 mm 150 mm
Berdasarkan sketsa disain tampak depan tungku dan boiler skala IKM di atas, api dalam tungku hanya mengenai bagian bawah boiler. rata suhu tertinggi pada permukaan boiler sebesar 178,5 °C. Rata-rata suhu tertinggi pada permukaan tungku pembakarannya sebesar 59,94 °C. Pindah panas paling besar pada saat pemasakan air menjadi uap air, terjadi hanya di bagian bawah boiler. Api menghantarkan panas ke air dalam boiler melalui dinding bawah boiler secara konduksi. Perpindahan panas secara konduksi tersebut dikarenakan adanya penghantar berupa padatan yaitu dinding boiler (McCabe, 2005). Kemudian air bagian bawah boiler menghantarkan panas secara konveksi ke air bagian atas dalam boiler. Menurut Kulshresta (1989), perpindahan panas pada fluida terjadi secara konveksi. Fenomena ini akan diperjelas dalam Gambar 6.
Pada Gambar 6, luas permukaan pindah panas separuh bagian dari
boiler. Data-data luas permukaan pindah panas, jumlah air yang
diuapkan, dan rata-rata penggunaan air setiap jam pada boiler dapat dilihat dalam Tabel 3.
Gambar 6. Fenomena pemasakan air dalam boiler IKM (tampak depan) : (a) air dalam boiler, (b) aliran panas api, (c) luas permukaan pindah panas boiler, (d) tungku, (e) ruang pembakaran di tungku a b c d
e
APITabel 3. Data luas permukaan pindah panas dan uap air yang dihasilkan penyulingan IKM
No. Keterangan Satuan
1. Luas permukaan pindah panas boiler 1,63 m²
2. Jumlah air yang diuapkan dalam proses 446 liter
3. Lama waktu penyulingan 8 jam
4. Uap air yang dihasilkan per jam 34,2 liter/m²
Luas permukaan pindah panas boiler sebesar 1,63 m² dapat menguapkan 446 liter air dalam waktu 8 jam. Oleh karena itu, dalam waktu satu jam rata-rata air yang dapat diuapkan dengan menggunakan
boiler IKM sebesar 34,2 liter untuk satu m². Namun demikian, uap air
yang diuapkan berfluktuasi setiap jamnya. Hal ini dikarenakan jumlah panas dari api dalam tungku fluktuatif, tergantung dari kestabilan api.
Uap air yang dihasilkan bisa lebih besar dari 34,2 liter/m²/jam, bila nyala api sangat besar. Nyala api yang sangat besar dapat diperoleh saat jumlah kayu bakar dalam tungku masih banyak dan cukup kering. Kayu bakar yang digunakan memiliki kadar air rata-rata 62,4 % sedangkan rata-rata kadar air maksimal kayu bakar sebesar 85 % (Abdurahim, et al., 1989). Bila jumlah kayu dalam tungku pembakaran semakin sedikit, maka nyala api akan semakin mengecil. Bila api mengecil maka energi panasnya berkurang dan uap air yang dihasilkan bisa menurun, kurang dari 34,2 liter/m²/jam.
Kestabilan api dalam tungku terkait dengan sirkulasi oksigen di dalam tungku. Adanya oksigen dapat membantu pembakaran kayu sebagai bahan bakar dalam tungku skala IKM. Oksigen dalam tungku skala IKM diperoleh dari satu arah yaitu pintu pemasukan kayu. Sirkulasi oksigen dalam tungku dapat dilihat dalam Gambar 7.
Gambar 7. Sirkulasi oksigen dalam tungku skala IKM (tampak atas) : (a) ruang pembakaran, (b) pintu pemasukan kayu bakar (pintu tungku)
Sirkulasi oksigen dimulai dari pintu tungku, kemudian oksigen mengalir ke arah belakang ruang tungku (Gambar 7). Oksigen dapat mencapai bagian belakang tungku bila tidak terhalang kayu bakar yang diletakkan setelah pintu tungku. Bila aliran oksigen ke arah belakang tungku terhalang, maka api akan sulit menjalar ke kayu bakar yang diletakkan di bagian belakang. Penjalaran api akan semakin sulit jika kadar air dalam kayu cukup tinggi. Oleh karena itu, bagian belakang tungku terkadang terdapat sisa-sisa pembakaran berupa arang.
Ketidakstabilan nyala api dalam tungku tentunya akan mempengaruhi fluktuasi jumlah uap air yang terbentuk di dalam boiler. Kestabilan nyala api dalam tungku dapat dilihat dari fluktuasi suhu yang terukur pada dinding tungku di Lampiran 1.
Selain itu, ketidakstabilan nyala api yang berakibat terhadap fluktuasi jumlah uap air dapat dilihat berdasarkan fluktuasi jumlah destilat yang dihasilkan. Fluktuasi jumlah destilat tersebut dapat dilihat dalam Gambar 8 dan Lampiran 1.
A
34.07 55.84 51.97 43.79 16.88 31.91 52.27 29.16 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 Jam ke-Laju destilat (liter/jam)
Gambar 8. Fluktuasi jumlah destilat terhadap waktu
Jumlah destilat pada awal proses penyulingan yaitu jam pertama sebesar 34,07 liter, lebih kecil dari jumlah destilat pada jam kedua yaitu sebesar 55,84 liter. Hal ini dikarenakan panas yang digunakan dari api dalam tungku, belum dapat digunakan secara keseluruhan untuk memproduksi uap air. Panas dari api tungku pada jam pertama, selain digunakan untuk memproduksi uap air juga digunakan untuk memanaskan dinding boiler atau menaikkan suhu lingkungan di sekitar (dinding-dinding boiler).
Kestabilan nyala api dalam tungku tidak dijaga sehingga jumlah destilat setelah jam kedua menurun. Hal ini dikarenakan nyala api semakin mengecil. Penurunan signifikan jumlah destilat terjadi dari jam keempat menuju jam kelima. Hal tersebut dikarenakan adanya pengisian air ke dalam boiler. Dengan demikian suhu dalam boiler menurun dan produksi steam ikut menurun. Hal tersebut dapat dilihat dalam Lampiran 1, di mana suhu bagian atas tungku juga menurun secara signifikan pada menit ke-270.
b. Ketel Suling Skala IKM
memiliki diameter 98 cm, tinggi keseluruhan 153 cm, dan tinggi saringan dari bibir ketel 133 cm. Perbandingan diameter dengan tinggi ketel suling dari atas saringan yaitu 1 : 1,36. Kapasitas maksimal ketel suling tersebut 1.002,7 liter. Baut pengunci tutup ketel sebanyak 10 baut. Pada tutup ketel tidak terdapat penyekat dan tidak terdapat glasswool atau penahan panas lainnya di dinding ketel suling. Namun pada bagian bawah ketel dipendam dalam lapisan semen. Hal tersebut tentunya dapat mengurangi energi panas yang hilang dari bagian bodem (bawah) ketel. Sketsa ketel suling skala IKM dapat dilihat pada Gambar 9.
Prinsip kerja dari ketel suling ini yaitu uap air yang berasal dari
boiler masuk ke dalam ketel melalui pipa di bawah saringan (Santoso,
1990). Pipa di bawah saringan yang digunakan untuk memasukkan uap air berbentuk melingkar agar uap air yang dialirkan dapat merata (Rusli, 2003). Uap air tersebut berpenetrasi ke dalam nilam kering dan membantu keluarnya minyak dari kantung-kantung minyak pada jaringan terna nilam. Minyak yang keluar berbentuk campuran uap air dengan minyak (Ketaren, 1987).
Gambar 9. Ketel suling skala IKM : (a) tutup ketel, (b) dinding ketel, (c) 150 mm 980 mm 1330 mm 200 mm 1280 mm a b c
Berdasarkan disain ketel suling skala IKM di atas, kinerja ketel dari segi disain dapat diukur dari kemampuan disain ketel tersebut mempertahankan panas dan mempenetrasikan uap di dalam ketel. Kemampuan disain ketel suling skala IKM dalam mempertahankan panas masih cukup rendah. Hal ini dikarenakan adanya kebocoran pada disain ketel suling tersebut (Fatahna, 2005). Kebocoran terjadi di sela-sela tutup ketel dengan bibir ketel. Selain itu, tidak adanya penggunaan penahan panas pada dinding ketel, tentunya akan memperbesar kehilangan energi panas dari ketel suling.
Kehilangan panas dalam ketel dapat mengakibatkan uap di dalam ketel lebih cepat terkondensasi, sehingga kemungkinan terjadinya kehilangan uap air semakin besar. Indikator kehilangan panas dapat diukur dari fluktuasi suhu yang terukur di permukaan bagian luar ketel. Hal tersebut dapat dilihat dalam Lampiran 1. Semakin besar suhu yang terukur, maka kehilangan panas pada permukaan bagian tersebut semakin besar. Hal ini disebabkan panas berpindah dari suhu yang tinggi ke suhu yang lebih rendah (McCabe, 2005). Namun demikian, jumlah kehilangan panas pada suatu bagian ketel tidak hanya ditentukan oleh suhu yang terukur saja, tetapi juga luas permukaan pindah panas bagian ketel tersebut (Zemansky, 1982). Hal ini akan diperjelas dengan Tabel 4.
Tabel 4. Keterkaitan luas permukaan pindah panas dengan kehilangan panas ketel
No. Keterangan Tutup Ketel Dinding ketel
1. Luas permukaan pindah panas
ketel 1,05 m² 4,71 m²
2. Total kehilangan panas selama 8
jam 10,23 MJ 48,79 MJ
3. Rata-rata kehilangan panas/jam 1,28 MJ 6,10 MJ
5.39 6.36 6.40 6.25 6.11 5.84 6.36 6.07 6.29 7.76 7.80 7.65 7.43 6.85 7.77 7.46 1.40 1.33 1.39 0.90 1.41 1.01 1.41 1.39 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 Jam ke-Kehilangan panas (MJ/jam) Tutup Dinding Tutup dan Dinding
tutup ketel. Begitu pula dengan perbedaan total kehilangan panas di dinding ketel lebih besar 4,77 kali dari tutup ketel yaitu sebesar 48,79 MJ. Kehilangan panas per 30 menit dapat lihat dalam Gambar 10 serta Lampiran 3.
Tutup ketel memiliki suhu yang lebih tinggi daripada dinding ketel. Namun kehilangan panas pada tutup ketel lebih kecil daripada dinding ketel seperti terlihat dalam Gambar 10 dan Lampiran 3. Hal ini disebabkan luas permukaan pindah panas pada tutup ketel hanya sebesar 1,05 m², sedangkan luas permukaan pindah panas pada dinding ketel sebesar 4,71 m². Dengan demikian, kehilangan energi panas pada bagian ketel skala IKM sangat dipengaruhi luas permukaan pindah panas tiap bagian ketel bukan pada suhu yang terukur pada setiap bagian ketel.
Gambar 10. Fluktuasi kehilangan panas pada ketel suling skala IKM
Suhu tutup ketel yang terukur lebih tinggi daripada suhu dinding ketel. Data lebih rinci terkait dapat dilihat dalam Lampiran 1. Hal ini terkait dengan pola aliran penetrasi uap di dalam ketel, di mana uap akan mengalir dari bagian bawah ketel ke bagian atas ketel, tepatnya menuju tutup ketel. Pola aliran penetrasi uap dapat dilihat pada Gambar 11.
Gambar 11. Fenomena arah penetrasi uap dalam ketel IKM : (a) masuknya uap dari boiler, (b) uap yang keluar dari ketel, (c) pipa penyalur uap
Uap dari bagian bawah saringan ketel akan mengalir dan berpenetrasi ke dalam nilam kering yang berada di atas saringan ketel. Suhu tutup ketel menjadi lebih tinggi daripada dinding ketel karena
steam akan terakumulasi di bagian atas yaitu tutup ketel.
c. Kondensor Skala IKM
Kondensor pada penyulingan skala IKM di Kuningan memiliki bentuk serupa dengan prototipe kondensor di Leuwikopo yaitu berbentuk
coil. Namun dimensi kondensor yang digunakan tidak dapat diketahui
dengan pasti karena kondensor ditempatkan pada bak pendingin permanen yang tertutup. Luas permukaan pindah panas kondensor IKM sebesar 2,29 m². Perhitungan luas permukaan pindah panas kondensor IKM diperoleh dari rumus :
Q = U x A x ∆T
Q yang digunakan sebesar 1.059,27 MJ. Nilai energi tersebut diperoleh dari energi uap yang masuk ke dalam ketel dikurangi dengan kehilangan panas yang terjadi pada pipa-pipa penghubung dan pada bagian ketel itu sendiri. Nilai ∆T diperoleh dari rata-rata selisih suhu uap
a
c b
dengan air pendingin. Nilai ∆Tyang digunakan sebesar 53,48 °C. Nilai U yang digunakan untuk menghitung luas permukaan pindah panas kondensor (A) sebesar 40 Btu/ft² hour °F atau setara dengan 817.653,4 joule/m² jam °C (Ketaren, 1985).
Bak pendingin yang digunakan memiliki panjang 2,5 meter, lebar 2,5 meter, dan tinggi 1,7 meter. Diameter kondensor di dalam bak kondensor 1,8 meter, sedangkan diameter pipa kondensor 1 inchi dan 1,5 inchi dengan panjang masing-masing 2,03 meter. Kondensor ini berfungsi untuk mengubah campuran uap air dan uap minyak (Ketaren, 1987).
Menurut Santoso (1990), kinerja kondensor dari segi disain ditentukan oleh : luas penampang pindah panas kondensor. Luas penampang pindah panas kondensor ini terkait dengan panjang dan diameter pipa kondensor.
Kapasitas bak pendingin yang digunakan dalam sistem penyulingan skala IKM lebih besar dari prototipe bak pendingin yaitu sebesar 10.625 liter. Walaupun kapasitas bak pendingin cukup besar, namun pengisiannya tidak sampai batas kapasitas maksimalnya. Pengisian air pendingin hanya sebesar 6.163,2 liter. Penggunaan air pendingin sebanyak 6.163,2 liter menghasilkan suhu rata-rata destilat sebesar 35,91 °C. Suhu rata-rata destilat pada skala IKM sudah memadai. Dengan demikian, pindah panas pada kondensor skala IKM dapat dianggap telah memadai.
Bila air pendingin yang digunakan jumlahnya terlalu besar dan luas permukaan pindah panas pipa kondensor kecil, maka energi panas yang diserap air pendingin dari pipa kondensor semakin kecil. Dengan demikian, efisiensi kondensor akan semakin kecil. Hal tersebut didukung dengan persamaan :
Q = U x A x ∆T Dimana, Q = panas yang dibebaskan (joule)
U = overall heat transfer coefficient (joule/m² jam K) A = luas penampang pindah panas kondensor (m²)
∆T = perbedaan suhu antara uap panas dan medium pendingin (K) Berdasarkan persamaan tersebut, luas permukaan pindah panas dan perbedaan suhu uap dengan air pendingin berpengaruh terhadap energi yang dilepaskan kondensor (Ketaren, 1985).
d. Separator Skala IKM
Separator merupakan alat yang digunakan untuk memisahkan air dengan minyak. Prinsip kerja pemisahan air dengan minyak dalam separator ini berdasarkan perbedaan bobot jenis minyak dengan air (Santoso, 1990). Perbedaan bobot jenis ini menyebabkan butiran minyak berada di lapisan atas sedangkan air di bawah. Separator dalam sistem penyulingan skala IKM memiliki diameter 30 cm, diameter tabung bagian dalamnya 20 cm, dan tinggi 50 cm. Kapasitas maksimal separator dalam menampung jumlah destilat sebesar 35,33 liter. Sketsa separator yang digunakan dalam skala IKM dapat dilihat dalam Gambar 12.
Gambar 12. Separator skala IKM : (a) kran minyak keluar, (b) pipa keluaran air sisa penyulingan.
Berdasarkan disain separator IKM di atas, kinerja separator skala IKM belum optimal. Minyak yang keluar dari kran pipa keluaran minyak masih mengandung air. Oleh karena itu, diperlukan pemisahan lebih
150 mm 200 mm 30 mm 500 mm a b
lanjut yaitu pemisahan minyak dan air dengan penyaringan menggunakan kain monel sebanyak 3 kali penyaringan.
Pemisahan minyak yang kurang optimal pada separator IKM dikarenakan diameter tabung bagian dalam separator terlalu lebar. Oleh karena itu, lapisan minyak sulit terbentuk di bagian atas tabung dalam separator. Bila diameter tabung bagian dalam separator lebih sempit, mungkin minyak akan terpisah lebih sempurna. Selain itu, dengan kapasitas maksimal separator sebesar 35,33 liter dan rata-rata jumlah destilat yang dihasilkan per satu jam sebesar 39,49 liter, maka waktu tinggal minyak dalam separator kurang dari satu jam.