C. PENELITIAN UTAMA
4) Prototipe Separator
Prototipe separator yang digunakan memiliki prinsip kerja yang sama dengan separator skala IKM. Walaupun memiliki prinsip kerja yang sama, bentuk prototipe separator dengan separator skala IKM berbeda. Prototipe separator memiliki diameter 50 cm, diameter tabung bagian dalam 15 cm, dan tinggi 45 cm. Kapasitas maksimal volume prototipe separator sebesar 90 liter.
Bagian atas prototipe separator dibuat agak mengerucut. Hal ini dimaksudkan agar minyak dapat terpisah secara sempurna berdasarkan perbedaan bobot jenisnya dengan bobot jenis air. Semakin sempit luas permukaan bagian atas separator (Santoso, 1990), maka butiran minyak akan lebih mudah terkumpul. Disain prototipe separator yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 23.
Gambar 23. Disain prototipe separator: (a) kaca pengamatan, (b) pipa pengeluaran air, (c) corong masuk destilat, (d) kran keluaran minyak.
Disain separator di atas ternyata belum mampu memisahkan minyak dengan air secara sempurna. Pemisahan lebih lanjut dilakukan menggunakan labu pemisah berukuran 500 ml.
b. Kinerja Prototipe Alat Penyulingan Berdasarkan Proses
1) Prototipe Boiler
Pada sistem penyulingan prototipe, kondisi tekanan uap yang diterapkan berkisar antara 2,5 bar gauge hingga 3,5 bar gauge. Hal tersebut dimaksudkan untuk menjaga kestabilan tekanan uap air yang masuk ke dalam ketel. Walaupun tekanan uap air dalam boiler fluktuatif pada kisaran 2,5 bar hingga 3,5 bar, namun tekanan uap yang ada di dalam ketel suling tetap berkisar 0,5 bar pada satu jam pertama, 1 bar pada dua jam kedua, dan 1,5 bar pada tiga jam berikutnya. Dengan demikian fluktuasi laju destilat tidak berpengaruh terhadap tekanan uap di boiler. Hal ini berlawanan dengan yang terjadi di sistem penyulingan skala IKM. Tekanan uap boiler yang cenderung stabil menghasilkan data efisiensi energi seperti pada Tabel 11.
a
b c
d
Tabel 11. Data efisiensi energi dalam prototipe boiler
No. Keterangan Jumlah
1. Jumlah kayu yang digunakan (K.A = 20
%) 98,38 kg
2. Energi total yang dihasilkan kayu 1.908,66 MJ
3. Jumlah air yang diuapkan 556,95 liter
4. Energi total uap air yang dihasilkan 1.480,93 MJ
5. Lama waktu penyulingan 6 jam
6. Efisiensi energi dalam tungku dan
boiler 77,59 %
Berdasarkan data dalam Tabel 11, maka kebutuhan energi dari kayu bakar sebesar 318,11 MJ/jam dari kayu sebanyak 16,40 kg. Namun energi dari kayu tersebut tidak digunakan untuk membentuk uap air seluruhnya karena efisiensi energi dari boiler sebesar 77,59 %. Energi kayu yang digunakan untuk pembentukan uap air hanya sebesar 246,82 MJ/jam.
2) Prototipe Ketel Suling
Kinerja dan efisiensi prototipe ketel suling berdasarkan kondisi proses, dapat dilihat dari kerapatan pengisian bahan ke dalam ketel dan kehilangan panas berdasarkan peningkatan tekanan uap dalam ketel. Bila dilihat dari ukuran prototipe ketel suling, jumlah maksimal nilam kering yang dapat dimasukkan dalam satu kali proses penyulingan sebanyak 160 kg. Namun pada pelaksanaannya pengisian nilam ke dalam ketel hanya sebanyak 120 kg. Dengan demikian kerapatan nilam dalam ketel sebesar 0,074 kg/liter.
Penggunaan kerapatan pengisian nilam sebesar 0,074 kg/liter atau setara dengan 74,1 % (b/v) dari kapasitas maksimal volume ketel, tidak menimbulkan jalur uap (rat hole) selama proses penyulingan. Tidak
adanya jalur uap ditandai dengan setiap bagian daun dan ranting nilam basah setelah proses penyulingan. Dengan demikian, kepadatan pengisian bahan sebesar 0,074 kg/liter pada prototipe ketel suling dapat dianggap optimal. Jalur uap tidak terbentuk pada sistem penyulingan prototipe, dipengaruhi pula dengan adanya pemadatan daun dan ranting nilam sebelum disuling. Pemadatan daun dan ranting nilam sebelum disuling dapat membantu meratakan tingkat kerapatan bahan pada setiap bagian ketel. Dengan tingkat kerapatan bahan yang merata dapat memperkecil kemungkinan terjadinya jalur uap. Hal ini dikarenakan semakin kompak pengisian bahan, maka semakin kecil celah-celah antar bahan (Anggraeni, 2003). Fenomena penetrasi uap tanpa adanya jalur uap dapat dilihat pada Gambar 24.
Gambar 24. Fenomena penetrasi uap tanpa rat hole : (a) uap masuk, (b) uap keluar
Sistem penyulingan prototipe menggunakan tekanan bertahap dalam ketel selama proses penyulingan minyak nilam. Besarnya tekanan uap dalam ketel dapat mempengaruhi jumlah kehilangan panas pada tiap bagian ketel yang terdiri dari tutup ketel, dinding ketel, glasswool, dan bodem ketel. Keterkaitan modifikasi tekanan bertahap terhadap pengaruh kehilangan panas pada keseluruhan bagian ketel dapat dilihat pada
b
4.70 13.09 21.62 y = 15.041Ln(x) + 4.1528 R2 = 0.9762 0 5 10 15 20 25 0.5 1 1.5
Tekanan (bar gauge) Total Kehilangan
Panas (MJ)
Gambar 25. Kehilangan panas lebih spesifik pada tiap bagian ketel dapat dilihat dalam Gambar 26.
Selain peningkatan tekanan dalam ketel, titik kritis dari penyulingan yaitu pengisian bahannya dalam ketel harus sesuai dengan kapasitas ketel, agar kinerja ketel dapat optimal terkait dengan proses penetrasi uap dalam ketel.
Gambar 25. Pengaruh peningkatan tekanan terhadap total kehilangan panas ketel
Gambar 25 menunjukkan bahwa peningkatan tekanan uap dalam ketel akan meningkatkan jumlah total kehilangan panas pada permukaan ketel. Data lebih rinci mengenai Gambar 25 dapat dilihat pada Lampiran 3. Dengan demikian, peningkatan perlakuan tekanan dalam suatu sistem penyulingan merupakan salah satu titik kritis dalam menentukan jumlah kehilangan panas yang terjadi pada ketel selama proses penyulingan. Total kehilangan panas tertinggi di ketel terjadi pada saat tekanan 1,5 bar sebesar 21,62 MJ yang diterapkan selama 3 jam. Pada tekanan 1 bar kehilangan panas tiap jamnya sebesar 6,54 MJ. Dengan demikian kehilangan panas untuk tiap jam pada tekanan 1,5 bar sebesar 7,21 MJ. Total kehilangan panas terendah di ketel terjadi pada tekanan 0,5 bar
1.16 1.43 1.61 3.11 3.40 0.42 0.51 0.54 4.70 6.54 7.21 1.29 1.49 1.65 1.83 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.5 1 1.5
Tekanan (bar gauge) Kehilangan panas (MJ/jam) Tutup Dinding Glasswool Bodem Keseluruhan bagian
sebesar 4,70 MJ selama 1 jam. Kenaikan kehilangan panas dari tekanan 0,5 bar menjadi 1 bar tiap jamnya sebesar 1,84 MJ. Kenaikan kehilangan panas dari tekanan 1 bar menjadi 1,5 bar tiap jamnya sebesar 0,67 MJ.
Gambar 26. Hubungan peningkatan tekanan terhadap kehilangan panas di tiap bagian ketel
Bila dilihat dari Gambar 26, kehilangan panas pada tiap bagian ketel bervariasi. Hal tersebut dikarenakan luas permukaan pindah panasnya berbeda antar tiap bagian ketel. Kehilangan panas akan terus meningkat seiring dengan peningkatan tekanan. Namun demikian, peningkatan kehilangan panas pada tiap bagian ketel pada akhirnya akan mencapai titik tertentu, di mana kehilangan panasnya akan konstan bila tekanannya terus ditingkatkan. Hal ini terlihat dari Gambar 25 yang menunjukkan hubungan logaritmik antara peningkatan tekanan terhadap kehilangan panas.
3) Prototipe Kondensor
Kinerja prototipe kondensor dari segi kondisi prosesnya ini diindikasikan berdasarkan perlakuan yang diterapkan pada air pendinginnya. Sistem air pendingin yang digunakan selama proses yaitu
batch, di mana tidak ada penggantian air pendingin selama proses
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Menit ke-Suhu (K) T steam T air keluar T air masuk T
atas hingga bawah. Dengan demikian suhu air pendingin meningkat dari lapisan bagian atas. Peningkatan suhu air pendingin dan selisih perubahan suhu pada air pendingin dapat dilihat pada Gambar 27 berikut dan keterangan lebih rinci pada Lampiran 2.
Gambar 27. Suhu air pendingin di prototipe bak pendingin
Proses penyulingan prototipe menggunakan kondisi proses peningkatan tekanan bertahap pada ketel, namun laju destilatnya tidak dikondisikan mengikuti peningkatan tekanan uap pada ketel, melainkan laju destilatnya dipertahankan sebesar 0,63 liter/kg jam atau setara dengan 75,6 liter/kg jam. Dengan demikian, akumulasi jumlah destilat akan berbanding lurus dengan peningkatan tekanan uap dalam ketel seperti terlihat pada Gambar 28. Data lebih rinci terkait dengan Gambar 28 dapat dilihat pada Lampiran 2.
70.52 228.64 154.71 y = 79.059x - 6.8252 R2 = 0.9986 0 50 100 150 200 250 0.5 1 1.5 Bar gauge Jumlah destilat (liter)
Akumulasi destilat (liter) Linear (Akumulasi destilat (liter))
Gambar 28. Hubungan akumulasi destilat terhadap peningkatan tekanan ketel
c. Efisiensi Energi Prototipe Alat Penyulingan
1) Prototipe Boiler
Prototipe boiler memiliki luas permukaan pindah panas yang lebih besar dari boiler skala IKM. Luas permukaan pindah panas ini akan menjadi lebih optimal, bila luas permukaan pindah panas itu dapat digunakan seluruhnya untuk memanaskan dan menguapkan air. Oleh karena itu, diperlukan panas yang merata pada permukaan pindah panas di boiler. Dengan luas permukaan pindah panas prototipe boiler sebesar 14,40 m², dapat menghasilkan uap air rata-rata sebesar 6,45 liter/m² jam. Rata-rata uap air yang dihasilkan sebesar 6,45 liter/m² jam, membutuhkan energi kalor kayu sebesar 318,11 MJ/jam, sehingga diperoleh efisiensi prototipe boiler sebesar 77,59 %. Gambaran efisiensi prototipe boiler dapat dilihat dalam Gambar 29.
Gambar 29. Efisiensi prototipe boiler
Selain keunggulan disain prototipe boiler pada luas permukaan pindah panasnya, keunggulan dari disain prototipe boiler lainnya yaitu adanya penggunaan katup pengatur tekanan uap air dalam boiler dan
blower.
Sumber panas berasal dari api pembakaran kayu di tungku. Adanya penggunaan blower dapat membantu meratakan panas api dari bagian depan boiler sampai dengan bagian belakang boiler. Selain itu, penggunaan blower dapat mempertahankan nyala api dalam tungku stabil. Hal tersebut diindikasikan dengan stabilnya tekanan uap dalam
boiler. Penggunaan katup pengatur tekanan uap di boiler, dapat
digunakan untuk menghasilkan tekanan uap yang tinggi. Dengan pasokan tekanan uap air yang tinggi di boiler, maka kestabilan tekanan uap yang masuk ke dalam ketel suling dapat diatur dan laju penyulingan juga konstan. Indikasi kestabilan laju penyulingan ini dilihat dari laju destilat yang dihasilkan, di mana rata-rata laju destilatnya sebesar 0,63 liter/kg jam. Dengan penambahan disain pada tungku dan boiler prototipe, kinerja tungku dan boiler dapat ditingkatkan sehingga produktivitas uap air pun dapat meningkat.
Berdasarkan kinerja dari segi disain boiler, sehingga menghasilkan kondisi tekanan uap air yang stabil dalam boiler, maka efisiensi energi yang dihasilkan pada prototipe boiler sebesar 77,59 %.
Boiler ξ = 77,59 % Tair awal = 25,5 °C Tsteam = 145,20 °C Energi kayu bakar 1.908,66 MJ
Energi uap air (gas)
1.480,93 MJ
Loss energi
2) Prototipe Ketel Suling
Efisiensi prototipe ketel suling dikatakan efisien penggunaan energinya, bila ketel tersebut dapat meminimalkan energi (panas) yang hilang dari ketel selama proses penyulingan. Kehilangan energi (panas) pada prototipe ketel suling paling besar terdapat di dinding ketel. Selain itu, kondisi proses yang berupa peningkatan tekanan uap dalam ketel, juga akan meningkatkan kehilangan panas di permukaan ketel. Dengan demikian, titik kritis kehilangan panas pada ketel terdapat pada permukaan luas pindah panas di ketel dan kondisi proses peningkatan tekanan uap.
Penggunaan glasswool dan katup pengatur tekanan uap di ketel dapat meningkatkan efisiensi kinerja ketel suling dari segi disain dan proses. Penggunaan kondisi proses peningkatan tekanan uap bertahap dapat mengefisienkan lama waktu penyulingan, tanpa harus mengalami kehilangan panas yang besar. Peningkatan tekanan uap secara bertahap dapat dilakukan karena adanya penggunaan katup pengatur tekanan uap di ketel. Dengan demikian, penggunaan glasswool menyokong kondisi proses yang diterapkan dalam ketel suling. Bila kinerja ketel suling dari segi disain dan proses meningkat, maka efisiensi dari ketel suling tersebut tinggi (Yuhono dan Shinta, 2006). Efisiensi prototipe ketel suling yang diperoleh sebesar 97,20 %. Pengaruh penggunaan glasswool terhadap efisiensi ketel dapat dilihat dalam Tabel 12.
Tabel 12. Pengaruh penggunaan glasswool terhadap efisiensi prototipe ketel
Keterangan Jumlah
Energi yang masuk ke ketel 1.406,39 MJ
Loss energi di ketel :
1. Tutup ketel
2. Dinding ketel nonglasswool 3. Dinding ketel glasswool 4. Bodem ketel
8,86 MJ 9,23 MJ 18,27 MJ
Keterangan Jumlah
Total kehilangan panas ketel 39,41 MJ
Total kehilangan panas dinding
nonglasswool keseluruhan 89,35 MJ
Total kehilangan panas dinding
glasswool keseluruhan 27,49 MJ
Pengurangan kehilangan panas
dengan glasswool 61,86 MJ
Persentase pengurangan
kehilangan panas oleh glasswool 69,23 %
Efisiensi ketel 97,20 %
Gambaran efisiensi prototipe ketel secara umum dapat dilihat pada Gambar 30 berikut ini.
Gambar 30. Efisiensi prototipe ketel
3) Prototipe Kondensor
Efisiensi prototipe kondensor sangat tinggi yaitu hanya sebesar 98,57 %. Hal ini disebabkan panjang pipa kondensornya terlalu panjang. Total panjang kondensor secara keseluruhan sebesar 45,24 meter. Namun pada uji coba penyulingan prototipe kondensor, panjang kondensor yang mengalami kontak dengan air (tenggelam) sebesar 39,58 meter. Air pendingin yang digunakan dapat menyerap panas dari pipa kondensor secara optimal sehingga kinerja pipa kondensor menjadi tinggi dan
Ketel Suling ξ = (97,20 %) P = 0,5;1;1,5 bar T = 111,61;120,42;127,62 °C Energi masuk (gas/uap) 1.406,39 MJ Energi keluar (gas/uap) 1.366,98 MJ Energi hilang (gas/uap) 39,41 MJ
efisiensinya pun meningkat. Efisiensi energi yang tinggi pada kondensor menyebabkan suhu rata-rata destilat yang dihasilkan sudah cukup optimal dan cenderung lebih dingin yaitu sebesar 31,17 °C. Efisiensi energi kondensor ini dapat dilihat lebih jelas perhitungannya pada Lampiran 3 dan dalam Gambar 31 berikut ini.
Gambar 31. Efisiensi Prototipe Kondensor
3. Pembandingan Efisiensi Peralatan Penyulingan Skala IKM dengan