RANCANG BANGUN INTEGRASI ALAT PIROLISIS PLASTIK-SEKAM PADI

SKRIPSI

OLEH :

KRISTOF INDRA JAYA MUNTE 140308047

PROGRAM STUDI KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2018

i

Plastik-Sekam Padi. Dibimbing oleh RISWANTI SIGALINGGING.

Plastik merupakan salah satu sampah yang sangat sulit terdegradasi.

Dibutuhkan ribuan tahun untuk menguraikan sampah plastik oleh tanah secara terdekomposisi, dan saat terurai akan mencemari tanah dan air tanah. Salah satu cara untuk mengurangi sampah plastik yaitu dengan pirolisis. Untuk mempirolisis plastik dibutuhkan suhu hingga 200 ⁰C -300 ⁰C, maka dibutuhkan energi yang besar untuk mempirolisis plastik. Masalah dalam pirolisis plastik yaitu dibutuhkan biaya pokok produksi yang besar untuk pirolisis. Penelitian ini bertujuan untuk merancang integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi. Perancangan dilakukan setelah analisa tehnik pada alat, dimana alat pirolisis plastik dan alat pirolisis sekam padi disatukan menjadi satu kesatuan alat yang utuh. Alat ini dirancang untuk memanfaatkan sekam padi sebagai bahan bakar pirolisis namun sekam tetap terpirolisis. Kadar air sekam yang digunakan pada penelitian ini yaitu 7%.

Penelitian ini menghasilkan tiga produk yaitu minyak hasil pirolisis, abu sekam padi dan asap cair. Dari hasil pengujian yang dilakukan terhadap integrasi alat pirolisis-plastik sekam padi didapat nilai rendemen dari masing-masing produk yaitu 1,8% rendemen minyak, 1,87% rendemen asap cair, dan 19,5%

rendemen abu. Kapasitas alat pirolisis plastik-sekam padi ini adalah 11,26 ml/jam.

Kata kunci : pirolisis plastik, pirolisis sekam padi, asap cair sekam padi.

ABSTRACT

KRISTOF INDRA JAYA MUNTE : Design of Plastic-Rice husk Integration Pyrolysis Equipment. Supervised by RISWANTI SIGALINGGING

Plastic is one of the most difficult waste to degrade. It takes thousands of years to decompose plastic waste by the soil, and when decomposed it will contaminate soil and ground water. One of the ways to reduce plastic waste is by pyrolysis. To pyrolysis the plastic it takes temperatures up to 200 ⁰C -300 ⁰C, so it takes a lot of energy to pyrolysis plastic. The problem in plastic pyrolysis is that it requires a large production cost for pyrolysis. This study was aimed to design the integration of plastic pyrolysis-rice husk equipment. The design was done after doing the technical analysis on the too, where plastic pyrolysis and rice husk pyrolysis tools are combined into a single unit that is intact. This equipment was designed to utilize rice husks as pyrolysis fuel but the husks remain pyrolyzed.

Husk water content used in this study was 7%.

This study produced three products, i.e oil from pyrolysis, rice husk ash and liquid smoke. The test results on the integration of the plastic husk pyrolysis- plastic equipment obtained the yield value of each product of 1.8% oil, 1.87%

liquid smoke, and 19.5% ash. The capacity of plastic-rice husk pyrolysis equipment was 11.26 ml/hours.

Keywords :plastic pyrolysis, rice husk pyrolysis, rice husk liquid smoke.

Pusuk Nainggolan dan ayah Sahat Munte. Penulis merupakan anak keempat dari lima bersaudara.

Tahun 2014 penulis lulus dari SMA Swasta Teladan SUMUT dan pada tahun yang sama masuk ke Fakultas Pertanian USU melalui jalur SBMPTN (Seleksi Bersama Masuk Perguruan Tinggi Negri). Penulis memilih program studi Keteknikan Pertanian, Fakultas Pertanian.

Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai anggota Ikatan Mahasiswa Teknik Pertanian (IMATETA), dan pengurus paduan suara Transeamus Pertanian USU.

Penulis melaksanakan Praktik Kerja Lapangan (PKL) di PKS PT.PP LONSUM,Tbk. di desa Pulo raja, Kisaran, Sumatera Utara pada tahun 2016.

iii

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi dengan judul “Rancangan Bangun Integrasi Alat Pirolisis Plastik-Sekam Padi” yang merupakan syarat untuk dapat memperoleh gelar sarjana di Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara, Medan.

Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1) Ibu Riswanti Sigalingging, STP, M.Si, Ph.D selaku dosen pembimbing yang telah banyak membimbing dan memberikan berbagai masukan, saran, dan kritik yang bermanfaat bagi penulis, 2) KEMENRISTEKDIKTI atas bantuan dana penelitian DRPM 2018, 3) Orang tua penulis, 4) kepada semua staf pengajar dan pegawai di Program Studi Keteknikan Pertanian, serta semua rekan mahasiswa yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan usulan penelitian ini.

Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun untuk perbaikan pada masa yang akan datang. Akhir kata, penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini bermanfaat bagi pihak yang membutuhkan.

Medan, Agustus 2018

Penulis

DAFTAR ISI

Hal.

ABSTRAK ... i

RIWAYAT HIDUP ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR TABEL ... vi

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR LAMPIRAN ... viii

PENDAHULUAN Latar Belakang ... 1

Tujuan Penelitian ... 2

Batasan Penelitian ... 3

Manfaat penelitian ... 3

TINJAUAN PUSTAKA Sekam Padi ... 4

Tungku Sekam Padi ... 4

Limbah Plastik ... 5

Dampak Limbah Plastik ... 5

Pirolisis ... 6

Pirolisis Limbah Plastik ... 6

Pirolisis Sekam Padi ... 7

Perpindahan Kalor ... 7

Konduksi ... 8

Konveksi ... 9

Kondensor ... 13

Kapasitas alat ... 15

Rendemen ... 15

Analisis Ekonomi ... 16

Break Event Point (BEP) ... 17

Net Present Value (NPV) ... 18

Internal Rate of Return (IRR) ... 18

METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat ... 20

Metode Penelitian... 20

Perancangan Alat Pirolisis ... 20

Rancangan Struktural Alat ... 20

Analisa Teknik Alat ... 22

Pengujian Alat Pirolisis ... 23

Alat Pengujian ... 23

Bahan Pengujian Alat ... 24

Prosedur Pengujian Alat Pirolisis... 24

Parameter Penelitian... 25

HASIL DAN PEMBAHASAN Integrasi Alat Pirolisis Plastik-Sekam Padi... 28

Kapasitas Efektif Alat ... 32

Rendemen ... 34

Analisis Ekonomi ... 36

Break Event Point ... 37

Net Present Value ... 38

Internal Rate of Return... 38

KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan ... 39

Saran ... 39

DAFTAR PUSTAKA ... 40

LAMPIRAN ... 43

DAFTAR TABEL

No. Hal.

1. Komposisi Kimia Sekam Padi ... 4

2. Kapasitas Efektif Alat ... 32

3. Rendemen Minyak ... 34

4. Suhu maksimun di titik penyebaran thermocouple ... 34

5. Rendemen asap cair ... 35

6. Penambahan sekam ... 36

7. Rendemen abu ... 36

8. Analisis ekonomi ... 37

vii

DAFTAR GAMBAR

No. Hal.

1. Integrasi Alat Pirolisis Plastik-Sekam Padi ... 28

2. Blower ... 29

3. Reaktor ... 29

4. Grafik Perkembangan Suhu Ruang Pembakaran dan Reaktor... 31

5. Skema Penempatan Thermocouple ... 32

DAFTAR LAMPIRAN

No. Hal.

1. Flow Chart penelitian ... 43

2. Penentuan Tinggi Pipa Spiral (Helical Coil) dan Jumlah Lilitan ... 44

3. Kebutuhan Sekam ... 45

4. Analisis Teknik Ruang Pembakaran ... 46

5. Analisis Teknik Kondensor ... 47

6. Data Penelitian ... 50

7. Analisis Ekonomi ... 53

8. Break Even Point ... 56

9. Net Present Value ... 57

10. Internal Rate of Return ... 69

11. Dokumentasi abu hasil pembakaran ... 61

12. Minyak hasil pirolisis plastik ... 64

13. Gambar Teknik Alat... 65

1

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Seiring bertambahnya jumlah manusia di bumi dan kosumerisme manusia yang semakin meningkat, maka produksi limbah plastik tentu akan semakin tinggi. Meningkatnya penggunaan plastik disebabkan oleh murahnya produk- produk berbahan plastik, lebih ringan, tidak tembus air sehingga banyak digunakan sebagai kantongan. Jenis plastik yang beredar dimasyarakat yaitu berasal dari bahan poliethylene. Poliethylene terbagi atas dua jenis yaitu high density polethylene (HDPE) dan Low Density Poliethylene (LDPE). Jenis Plastik HDPE digunakan sebagai botol minuman dan LDPE untuk bahan pembuatan kantongan plastik (Ermawati, 2011).

Penanggulangan sampah sudah dilakukan dengan berbagai jenis cara, salah satu cara yang telah di aplikasikan di kota-kota besar adalah daur ulang sampah, namun cara ini hanya menyerap 10-15% sampah (Sahwan dkk., 2005).

Diperlukan penanganan sampah yang lebih baik lagi agar sampah benar-benar dapat dikendalikan dan bukan sebagai masalah lagi. Jutaan ton sampah akan terus diproduksi setiap harinya diseluruh dunia, lahan untuk open dumping akan semakin banyak diperlukan. Penanganan sampah dengan cara penumpukan (open dumping) bukanlah cara yang ideal melainkan pilihan terakhir terhadap penanganan sampah. Pemanfaatan sampah plastik sebagai bahan dasar untuk menghasilkan bahan bakar telah dilakukan, namun dinilai belum efesien karena biaya produksi masih cukup tinggi. Salah satu cara untuk mengurangi biaya produksi adalah memanfaatkan sekam padi sebagai bahan bakar pada proses pirolisis plastik.

Sekam padi layak sebagai bahan bakar untuk proses pirolisis plastik karena memiliki nilai kalor yang cukup tinggi, walaupun nilai kalornya lebih rendah dari batok kelapa. Proses pirolisis sekam padi akan menghasilkan energi.

Integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi akan menghasilkan efesiensi yang tinggi, sehingga nilai ekonomis dari energi yang dihasilkan akan lebih tinggi.

Pada rancang bangun alat pirolisis plastik menggunakan bahan bakar batok kelapa oleh Sembiring (2017) menghasilkan minyak dengan nilai biaya produksi Rp 15.953/ml pada tahun pertama penggunaan alat dan Rp 16.156/ml pada tahun kedua. Nilai biaya produksi minyak yang tinggi mengakibatkan minyak yang dihasilkan akan kalah saing dengan minyak yang ada dipasaran.

Penelitian terhadap pirolisis plastik yang dilakukan oleh Ramadhan dan Munawar (2014) menyimpulkan bahwa temperatur yang tinggi berpengaruh pada jumlah minyak yang dihasilkan dan kapasitas efektif alat. Pada penelitian yang dilakukan diharapkan rancang bangun alat mampu menghasilkan temperatur pemanasan hingga 1000^oC, sehingga laju dan kapasitas alat lebih tinggi dari penelitian sebelumnya. Alat Pirolisis plastik dan pirolisis sekam padi akan dirancang menjadi satu alat yang disebut integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi. Produk dari integrasi alat pirolisis plastik sekam-padi ini diharapkan adalah bahan bakar minyak, abu sumber silika, dan asap cair. Integrasi dari alat pirolisis plastik-sekam padi akan memberikan nilai ekonomis alat lebih tinggi dari alat yang telah ada.

Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan merancang, membuat dan menguji alat pirolisis plastik-sekam padi.

Batasan Penelitian

Penelitian ini hanya membahas tentang rancang bangun dan pengujian terhadap integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi.

Manfaat Penelitian

1. Bagi penulis yaitu sebagai bahan untuk menyusun skripsi yang merupakan syarat untuk dapat menyelesaikan pendidikan di Program Studi keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara

2. Bagi mahasiswa, sebagai informasi pendukung untuk melakukan penelitian lebih lanjut mengenai integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi 3. Bagi masyrakat, khusunya bagi pengusaha yang ingin mengolah limbah

plastik dan sekam padi.

TINJAUAN PUSTAKA

Sekam Padi

Sekam padi adalah kulit terluar biji padi atau lapisan keras yang meliputi kariopsis yang terdiri dari dua belahan yang disebut lemma dan palea yang saling bertautan. Sekam terpisah pada proses penggilingan gabah dan dianggap sebagai limbah penggilingan. Proses penggilingan gabah padi akan menghasilkan 20-30%

sekam padi, dedak anatara 8-12% dan dan beras giling antara 50-63,5% (Badan Litbang pertanian, 2008). Menurut data statistik pertanian (2004), produksi padi di indonesia pada tahun 2004 adalah 54,09 juta ton dan akan terus meningkat dengan laju peningkatan produksi 0,2%. Dari 54,09 juta ton padi dihasilkan 20- 30% sekam atau 10,81-16,22 juta ton limbah sekam padi.

Menurut Suharno (1979), komposisi kimia pada sekam padi seperti Tabel 1.

Tabel 1. Komposisi Kimia Sekam Padi

Komponen Persentase kandungan (%)

Kadar air 9,02

Protein kasar 3,03

Lemak 1,16

Serat kasar 35,68

Abu 17,71

Karbohidrat kasar 33,71

(Sumber: Suharno, 1979) Tungku Sekam Padi

Tungku sekam padi telah banyak digunakan untuk proses industri karena hanya memanfaatkan limbah sekam padi. Menurut Simorangkir (2011) tungku sekam padi dapat dimanfaatkan untuk mendidihkan 50 liter air dengan menggunakan 6,35 Kg sekam, waktu pendidihan air 1,03 jam dan efesiensi tungku

adalah 19,92%. Proses pembakaran sekam pada tungku akan menghasilkan CO₂, H2O dan energi (panas), laju penggunaan sekam untuk mendidihkan 50 liter air adalah 5,18 Kg/jam (Nawafi, 2010)

Limbah Plastik

Plastik-plastik yang beredar di masyarakat kebanyakan tersusun dari bahan polyethylene. Polyethylene dapat dikategorikan menjadi dua yaitu High Density Polyetilene (HDPE) dan Low Density Polietilene (LDPE). Jenis plastik HDPE banyak dimanfaatkan sebagai botol minuman, sedangkan plastik LDPE dimanfaatkan sebagai kantongan plastik. Berbagai jenis penamaan plastik yang menyebar adalah polyethylene (PE), poly vinyl cholrida (PVC), poly propilen (PP), poly methyl methyl acrylaat (PMMA), acrylonitrit butadieen styreen (ABS), poly amide (PA), poly ethylene terephthalate (PET) (Widayati, 2017).

Dampak Limbah Plastik

Penggunaan plastik secara berlebihan merupakan bahaya besar, misalnya penggunaan bahan pelembut polyclorin bifenil (PCB) pada plastik PVC dapat ,mengakibatkan kematian pada jaringan dan kanker pada manusia. Penggunaan pelembut lain seperti di(2-ethylhexyl) adipate (DEHA) dapat mengkontaminasi makanan yang akan merusak sistem peranakan dan menghasilkan janin yang cacat. Dibutuhkan waktu kira-kira 1000 tahun untuk menguraikan limbah plastik oleh tanah secara terdekomposisi, dan saat terurai akan mencemari tanah dan air tanah (Karuniastuti, 2008). Menurut Busyairi dkk. (2015) timbulan rata-rata sampah pada kelurahan Sempaja Selatan yaitu 0,47 Kg/hari/orang dan luas daerah penimbunan sampah pada satu kelurahan yaitu 1061,72 m².

Pirolisis

Pirolisis adalah proses dekomposisi termokimia bahan organik dengan pemanasan bahan pada keadaan tanpa udara atau sedikit udara. Proses pirolisis berlangsung diatas suhu 300 ⁰C. Proses pirolisis tidak akan menghasilkan energi siap pakai namun gas dan padatan yang dapat digunakan sebagai bahan bakar.

Gas yang dihasilkan pada proses pirolisis adalah H₂ dan CH_4, sedangkan padatannya adalah arang yang mengandung fixed carbon yang cukup tinggi sehingga bersifat baik digunakan sebagai bahan bakar (Williams dkk., 2007).

Pirolisis Plastik

Proses pirolisis plastik jenis LDPE terjadi pada suhu 420 ⁰C dan dibutuhkan waktu proses 60 menit untuk 102,8 gram massa plastik. Suhu pirolisis yang semakin tinggi akan berpengaruh pada kecepatan proses pirolisis. Pirolisis plastik akan menghasilkan gas, cairan dan padatan berupa arang. Pada proses tersebut, rantai panjang hidrokarbon akan diputus menjadi rantai pendek. Minyak hasil pirolisis memiliki karakteristik yang tidak jauh berbeda dengan karakteristik minyak diesel (Ramadhan dan Ali, 2014). Salah satu contoh rangkaian alat pirolisis ditujukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Rangkaian alat pirolisis plastik (Ramadhan dan Ali, 2014).

Pirolisis Sekam Padi

Menurut Suyitno (2009), pada suhu 480 K sekam padi sudah mengalami dekomposisi. Laju proses dekomposisi sekam padi akan semakin meningkat dengan peningkatan suhu dalam tabung reaktor. Laju maksimun dekomposisi sekam padi berada pada suhu 590-626 K. Energi aktivasi pada proses pirolisis sekam adalah 41,24 Kj/mol dan faktor pre-eksponensial proses pirolisis yaitu 5,94 %/s . Pengaruh suhu pada proses pirolisis sangatlah besar, semakin tinggi suhu maka laju pirolisis akan semakin cepat. Produk dari pirolisis sekam padi menghasilkan 3 zat yaitu padatan yang berupa residu karbon, cairan berupa asap cair dan tar, dan gas yang umumnya terdiri dari CO₂, CO, CH_4, dan H₂ (Hartanto dan Alim, 2014). Beberapa manfaat asap cair dari sekam padi untuk menetralisir asam tanah, sebagai penggumpal lateks, sebagai pengawet makanan pengganti formalin. Suhu pembakaran sangat bergantung terhadap tekanan dan kandungan oksigen udara (Excess air) yang diberikan,oleh karena itu dibutuhkan jumlah udara yang lebih banyak dibandingkan dengan udara kondisi ideal agar bahan bakar dapat terbakar secara sempurna (Yudisaputro, 2015).

Dari hasil penelitian oleh Hsu dkk. (2015), rendemen bio-oil dari hasil pirolisis sekam padi adalah 30% dari total massa sekam yang dipirolisis. Sumber panas untuk pirolisis ini berasal dari luar.

Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor selalu terjadi dari tekanan tinggi ke tekanan rendah, proses perpindahan kalor terjadi melalui media perantara. Heat exchanger adalah salah satu alat penukar panas yang biasanya berupa plat ataupun pipa (tube).

Beberapa tipe tube exchanger adalah tipe counter flow dan pararel flow. Heat

exchanger biasanya dimanfaatkan sebagai alat pembuang panas, alat sterilisasi, pesteurisasi, pemisahan campuran, distilisasi (pemurnian, ekstraksi), pembentukan konsentrat, kristalisasi, atau juga untuk mengontrol sebuah proses fluida.

Perpindahan panas dapat terjadi secara konduksi, konveksi dan radiasi (McCabe dkk., 2005).

Konduksi

Konduksi adalah proses perpindahan kalor tanpa disertai dengan adanya perpindahan partikel (McCabe dkk., 2005). Untuk mencari nilai perpindahan kalor yang terjadi dapat dihitung menggunakan Persamaan 1.

q -k

r... (1) di mana :

q :banyaknya kalor (W)

r : gradien suhu perpindahan kalor (K/m) K : konduktivitas termal bahan (W/mK) A : luas penampang (m²)

Besarnya nilai

r dipengaruhi bentuk bidang tempat pindah panas terjadi.

Pada silinder berlubang nilainya dapat ditentukan dengan Persamaan 2:

r ln(^ro_ri)(T_i T_o) ... (2) Oleh karena itu, dari persamaan di atas maka besarnya kalor yang dipindahkan pada bidang silinder berlubang atau pipa dapat ditentukan dengan Persamaan 3:

q = k l i- o ln^ro

ri

... (3) di mana:

q : banyaknya kalor (W)

ri :Jari-jari dalam pipa (m)

ro : Jari-jari luar pipa (m)

l : Panjang pipa (m)

k : Konduktivitas panas (W/mK)

( _o- _i): Perbedaan suhu pipa luar dan pipa dalam (K) (Holman, 2010).

Konveksi

Konveksi adalah proses perpindahan panas yang disertai perpindahan partikel-partikel penyusun fluida sebagai media pindah panasnya (McCabe dkk., 2005). Menurut Holman (2010) untuk menghitung nilai kalor yang berpindah melalui pindah panas konveksi dapat menggunakan Persamaan 4:

q = h A (Ts T ) ... (4) di mana :

q : Kalor yang dipindahkan (W)

h : Koefisien pindah panas konveksi (W/m²K) A : Luas permukaan dinding (m²)

( ) : Perbedaan suhu dinding dengan suhu fluida (K) (Holman, 2010).

Menurut Lienhard IV dan Lienhard V (2003) konveksi dapat dibedakan menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Konveksi bebas adalah perpindahan panas yang terjadi di mana aliran fluida bergerak dengan pengaruh gravitasi tanpa pengaruh eksternal yang lain. Sedangkan konveksi paksa adalah proses pindah panas di mana fluida bergerak dengan disengaja dan diatur

kecepatan dan debitnya. Konveksi pada pipa dipengaruhi oleh bilangan reynold, dimana semakin tinggi kecepatan aliran maka semakin tinggi pula bilangan reynold yang dihasilkan, yang dapat dicari dengan Persamaan 5:

... (5) di mana:

Re : Bilangan reynold : Densitas udara (kg/m³) V : Kecepatan aliran udara (m/s) D : Diameter pipa pemanas air (m) µ : Viskositasdinamis udara (kg/ms) (Holman, 2010).

Nilai Pr (Prandtl Number) berfungsi sebagai penghubung antara kecepatan dengan suhu pada pindah panas, dan dapat ditentukan dengan Persamaan 6:

r ^v_{a k} ^⁄

⁄ p p

k ... (6) (Holman, 2010).

Menurut Holman (2010) konveksi natural pergerakan fluida terjadi secara natural atau yang biasa disebut dengan buoyancy. Densitas merupakan fungsi dari temperatur, variasi dari densitas pada tekanan konstan dapat dinyatakan dalam koefisien volume ekspansi β. ada gas ideal β dapat dihitung dengan Persamaan 7 dengan T adalah suhu Kelvin (K).

... (7) Dengan nilai Grashof dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 8:

r ^{βg w-} ... (8)

di mana:

Gr : Grashof number

: Koefisien volume ekspansi(1/K) T : Suhu di dinding (K)

Tw : Suhu pemanasan bahan (K) v : Viskositas kinematik (m²/s) g : Percepatan gravitasi (m²/s) (Holman, 2010).

Suhu rata-rata pindah panas yang terjadi dapat dihitung dengan Persamaan 9:

T_f ^{- w} ... (9)

di mana:

Tf : Suhu rata-rata (K)

:Suhu pemanasan bahan (K) :Suhu di dinding (K)

(Holman, 2010).

Menurut Holman (2010) besarnya nilai konveksi secara natural (Nuf) dapat dihitung dengan Persamaan 10:

Nuf 0,54( r_f rf) ...(10) di mana :

f : konveksi secara natural Gr :Grashof number

Pr :Prandtl number

Nilai koefisien pindah panas secara konveksi dapat dihitung melalui Persamaan 11 :

( ) ...(11) di mana :

h : Koefisien pindah panas secara konveksi (W/m²K) k : Konduktivitas panas fluida (W/mK)

D : Diameter pipa (m) : Densitas udara (kg/m³)

u : Viskositas dinamik udara (kg/ms) cp : Kalor jenis panas udara (kcal/kg°C) (Holman, 2010).

Besarnya nilai Nuf pada pipa horizontal dengan aliran laminar pada 103 <

(Pr.Gr) < 109 dapat dihitung dengan Persamaan 12:

Nilai dari overall heat transfer coefficient adalah:

do di hi

doln(do di) k

ho

...(12)

Di mana:

: diameter luar (cm) : diameter dalam (cm)

: konveksi pada kondensasi ( m ) : konveksi ( m )

: Konduktivitas panas fluida (W/mK) (Holman, 2010).

Setelah nilai dari overall heat transfer coefficient diperoleh maka dapat ditentukan panjang kondensor yang dibutuhkan untuk mengkondensasikan gas hasil pirolisis. Sedangkan untuk mengetahui pindah panas yang terjadi pada udara, oleh sebab itu perlu diketahui pindah massa dari udara di dalam kondensor : m ρ x v x A ...(13) (Holman, 2010).

Pindah panas yang terjadi pada kondensor :

q = m cp Δ ...(14) m ^{(Δ -Δ )}

ln^{(Δ )} (Δ )

...(15)

Kemudian data didapatkan untuk mencari luas penampang

^q

Δ _m ...(16) Dan panjang kondensor dapat ditentukan

_d

o ...(17) di mana :

m : laju aliran massa (kg/s)

q : pindah panas yang terjadi pada kondensor (W) d_o : diameter luar (cm)

c_p : kalor jenis panas (k kg⁄ ^o

Δ -Δ : selisih suhu yang keluar dengan suhu yang masuk ^oC).

(Holman, 2010).

Kondensor

Kondensor adalah salah satu jenis dari heat excanger yang digunakan untuk mengkondensasikan uap bertemperatur tinggi dengan melewatkannya pada

cairan bertemperatur rendah. Gas dari hasil pirolisis akan kembali mencair jika temperaturnya diturunkan, penambahan kondensor dimaksudkan untuk mempercepat proses pengembunan (Suyamto dan Wargiono, 2006).

Pada kondensor jenis pipa spiral, gas akan dialirkan melalui pipa yang dibalut oleh tabung berisi air bertemperatur rendah. Hasil kondensasi akan dikeluarkan dari ujung pipa spiral. Salah satu contoh rangkaian pipa spiral pada kondensor ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2. Pipa Spiral (Helical coil) (Sumber: Kurniawan dkk, 2015)

Banyak jumlah lilitan pada kondensor yang akan dirancang dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 18:

√ ...(18) (Kurniawan dkk, 2015).

Tinggi kondensor yang akan dirancang dapat dihitung menggunakan Persamaan 19:

( . ) d_o ...(19) di mana:

N : Jumlah lilitan do= 1,27 cm

P

r : jari-jari spiral(cm) p : jarak antar pipa(cm) L : Panjang (cm) H : Tinggi pipa (cm) d_o : diameter luar (cm) (Kurniawan dkk., 2015)

Kapasitas Efektif Alat

Kapasitas alat adalah kemampuan suatu alat untuk menghasilkan produk persatuan waktu (Kg/jam, hektar/jam). Menurut Daywin dkk. (2008), kapasitas efektif sebuah alat dapat dihitung dengan Persamaan 20.

KA = ……….. )

Dimana:

KA = kapasitas efektif alat (liter/jam)

Vol = volume bioetanol yang dihasilkan (liter) T = waktu yang dibutuhkan selama pirolisis (jam) Rendemen

Rendemen adalah perbandingan produk yang dihasilkan dari suatu proses terhadap bahan bakunya, yang dinyatakan dalam persen (%). Menurut Cahyono dkk. (2016), rata-rata rendemen yang dihasilkan dari proses pirolisis plastik adalah 36-44%. Menurut Purwono (2002), persentasi rendemen dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 21.

R =

x

100% ...(21) dimana:

R = rendemen (%)

BM = berat minyak yang dihasilkan (g) BH = berat bahan baku minyak (g).

Analisis Ekonomi

Menurut Soeharno (2007), untuk mengetahui nilai biaya produksi dapat dihitung menggunakan Persamaan 22.

Biaya produksi =

[

⁺

^BTT

]

C ...(22)

dimana:

BT = total biaya tetap (Rp/tahun) BTT = total biaya tidak tetap (Rp/tahun) X = total jam kerja pertahun (jam/tahun) C = kapasitas alat (jam/satuan produksi) Biaya tetap

Menurut Daarun (2002), biaya tetap meliputi:

1. Biaya penyusutan (metode garis lurus)

D = ^{( )} ...(23)

dimana:

D = biaya penyusutan (Rp/tahun)

P = nilai awal (harga pembuatan) alat (Rp) S = nilai ahir (10% dari P) (Rp)

n = umur ekonomi alat (tahun)

2. Biaya bunga modal dan asuransi I = ^{( )( )}

...(24) dimana:

I = total persentase bunga modal dan asuransi Biaya tidak tetap

Menurut Daarun (2002), biaya tidak tetap terdiri dari biaya reparasi dan biaya operator.

1. Biaya reparasi

Biaya reparasi adalah biaya yang dikeluarkan untuk perbaikan komponen-komponen alat. Biaya reparasi dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 25.

Biaya reparasi= ^{( )}

... ..(25)

2.

Biaya operator

Biaya operator dapat disesuaikan atau dikondisikan dengan daerah pemakaian alat, tidak ada aturan yang mengikat mengenai biaya operator.

Break Event Point (BEP)

Break Event Point (BEP) sering juga disebut sebagai titik impas. BEP diartikan sebagai titik dimana keadaan produksi tidak menguntungkan atau tidak merugikan perusahaan. Untuk mengetahui titik impas suatu produksi dapat dihitung menggunakan Persamaan 26.

N =

( ) ...(26) dimana:

N = jumlah produksi untuk mencapai titik impas (ml) F = biaya tetap per tahun (Rp)

R = penerimaan dari tiap unit produksi (harga jual) (Rp) V = Biaya tidak tetap per unit produksi

Net Present Value (NPV)

NPV merupakan kriteria yang digunakan untuk menentukan apakah suatu alat dapat dikatakan layak untuk diusahakan. Secara singkat dinotasikan dengan Persamaan 27.

CIF – COF 0 ...(27) dimana:

CIF = cash in flow COF = cash out flow

Cash in flow dihitung dengan mendiskontokan total nilai pemasukan dengan nilai bunga di masa sekarang. Cash out flow dihitung dengan mendiskontokan nilai pengeluaran dengan suku bunga di masa sekarang.

CIF = pendapatan x (P/A, i, n) + Nilai akhir x (P/F, i, n) COF = pembiayaan (P/A, I, n)

dengan kriteria:

- NPV > 0, berarti alat tersebut layak diproduksi dan diusahakan

- NPV < 0, berarti sampai dengan t tahun investasi terhadap produksi alat tidak menguntungkan sehingga dinyatakan tidak layak untuk diusahakan - NPV = 0, berarti tambahan manfaat sama dengan tambahan biaya yang

dikeluarkan. Investasi tidak merugi dan tidan menguntungkan.

Internal Rate of Return (IRR)

Internal Rate of Return (IRR) adalah perkiraan kelayakan lama pemiliakan suatu alat pada tingkat keuntungan tertentu. IRR dapat dihitung dengan persamaan 28, jika p bernilai negatif dan q positif dan jika p dan q bernilai positif dapat menggunkan Persamaan 26.

IRR = p% +

X (q%- p%) ...(28) dan

IRR = q% +

X (q%- p%) ...(29) dimana:

p = suku bunga paling reaktif q = suku bunga coba-coba (> dari p) x = NPV pada suku bunga p

y = NPV pada suku bunga q

METODOLOGI PENELITIAN

Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini akan dimulai pada bulan Maret 2018 sampai bulan Juli 2018 di Laboratorium Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara, Medan.

Metode Penelitian

Pada penelitian ini, metode yang digunakan adalah studi literatur (kepustakaan) selanjutnya dilakukan perancangan alat, pembuatan alat dan pengujian terhadap alat dengan pengamatan parameter.

Perancangan Alat

Proses perancangan alat dimulai dari penentuan dimensi atau ukuran- ukuran komponen dari alat pirolisis. Alat pirolisis ini akan memiliki ruang reaktor sebagai tempat pirolisis plastik, ruang pirolisis sekam padi, dan memiliki selimut penahan panas.

Rancangan struktural alat

Berikut ini adalah rancangan struktural dari alat pirolisis 1. Reaktor limbah plastik

Reaktor dirancang dengan berbentuk tabung. Di ujung atas reaktor akan dibuat lubang sebagai pengeluaran gas hasil pirolisis yang akan terhubung dengan pipa spiral dari kondensor.

2. Ruang pirolisis sekam padi

Ruang pirolisis sekam padi akan dibuat berbentuk tabung. Bagian tengah dibuat ruang sebagai tempat tabung reaktor plastik, rancangan ini diharapkan

dapat meningkatkan efesiensi penggunaan panas. Pada bagian bawah dibuat tempat pengumpan panas. Pada bagian atas akan dibuat pipa pengeluaran asap.

3. Hopper sekam padi

Sekam padi akan dimasukkan pada ruang pirolisis dari corong. Jumlah sekam padi yang masuk persatuan waktu akan diatur melalui corong.

4. Kondensor

Kondensor dibuat berbentuk tabung. Gas dari hasil pirolisis akan dialirkan melalui pipa spiral (Helical coil) dan melewati ruang kondensor yang berisi air es.

Gas akan terkondensasi setelah melewati kondensor.

5. Pipa spiral

Dibuat dari bahan stainless stell, dipasang di bagian dalam tabung kondensor.

6. Penahan panas

Untuk mengurangi panas yang hilang dari proses pembakaran sekam padi, maka dibuat lapisan/selimut untuk menutupi ruang pirolisis sekam padi.

7. Saringan abu

Bagian bawah ruang pirolisis sekam dibuat saringan abu, ukuran saringan abu dibuat sesuai ukuran partikel abu sekam padi.

7. Blower

Pada proses pembakaran diruang pengumpan panas dibutuhkan oksigen.

Blower bertujuan menyuplai kebutuhan oksigen.

8. Ruang abu

Ruang abu dibuat berbentuk kerucut. Ruang abu berfungsi untuk menampung abu yang keluar dari saringan abu.

9. Rangka

Rangka memiliki fungsi utama sebagai penyangga kokoh seluruh komponen alat pirolisis saat beroperasi maupun saat tidak dioperasikan.

10. Tangga

Tangga dibuat sebagai tempat pijakan saat memasukkan sekam ke ruang bakar.

Analisa teknik alat

Analisis teknik merupakan metode yang digunakan dalam penentuan dimensi dari :

1. Reaktor yang akan dirancang.

Analisis teknik dari reaktor yang dirancang memiliki dimensi tinggi reaktor yaitu 85 cm, diameter 30 cm.

2. Panjang kondensor

Untuk memperkirakan apakah gas hasil pirolisis dapat terkondensasi, maka panjang kondensor dapat diperhitungkan. Terdapat beberapa data yang dibutuhkan dalam penentuan panjang kondensor, diantaranya adalah kondisi suhu pada sistem (^oC), suhu gas keluaran yang diharapkan (Tg), suhu gas yang masuk kedalam kondensor, suhu lingkungan ( ), dan suhu udara yang melewati kondensor. Pipa yang digunakan pipa st dengan karakteristik diameter luar (do) dan dalam (d_i) dengan satuan cm dan konduktifitas termal (K) dengan satuan W/m.

Adapun dimensi dari panjang kondensor yang akan dirancang adalah diameter luar yaitu 1,27 cm, panjang kondensor 252 cm. Panjang kondensor

tersebut dikurangi 50 cm untuk menjadi pipa penghubung. Perhitungan dimensi ini dapat dilihat pada Lampiran (5).

3. Penentuan tinggi tabung spiral dan jumlah lilitan.

Adapun dimensi jumlah tabung spiral sebanyak 51 lilitan dengan tinggi 98 cm. Perhitungan tinggi tabung spiral dan jumlah lilitan ini dapat dilihat pada Lampiran (2).

4. Ruang Pembakaran

Adapun ukuran dari ruang pembakaran yaitu dengan tinggi 95 cm, diameter 50 cm. Reaktor dimasukkan 75 cm kedalam ruang pembakaran (analisis kebutuhan ruang pembakaran secara lengkap pada Lampiran (4)

5. Gambar teknik alat

Gambar tehnik alat dibuat dengan menggunakan aplikasi solidworks.

Dimensi gambar teknik disesuaikan dengan perhitungan analisis teknik yang telah dilakukan. Gambar teknik alat secara jelas dapat dilihat pada Lampiran (13).

Pengujian Alat Pirolisis

Setelah integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi dirancang dan dibangun, kemudian dilakukan pengujian terhadap alat.

Alat Pengujian

Alat yang digukan pada proses pengujian alat pirolisis plastik-sekam padi adalah:

1. Termocouple yang digunakan untuk mengukur panas di ruang reaktor dan pembakaran sekam

2. Data logger digunakan untuk mencatat data panas dari thermocouple, data dicatat setiap 3 detik sekali.

3. Gelas ukur digunakan untuk mengukur cairan hasil kondensasi dari proses pirolisis

4. Timbangan analitik digunakan untuk menimbang minyak, asap cair, dan abu.

5. Kunci inggris digunakan untuk memasang dan membongkar sambungan pipa spiral

6. Kunci 12, 13 digunakan untuk membongkar dan memasang reaktor 7. Botol kaca digunakan untuk menampung asap cair dan minyak hasil

pirolisis

Bahan pengujian alat

Pada pengujian alat pirolisis sekam padi, bahan yang di uji adalah limbah goni plastik sebanyak 3 Kg untuk setiap ulangan dan limbah sekam

Prosedur pengujian alat

Prosedur pengujian alat pada penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Persiapan bahan

- Dibersihkan limbah plastik yang akan dipirolisis - Ditimbang limbah plastik

- Dikeringkan limbah sekam padi - Ditimbang limbah sekam padi.

2. Pengujian alat

- Dimasukkan plastik kedalam reaktor - Ditutup reaktor dengan rapat

- Dihubungkan lubang gas hasil pirolisis dengan pipa spiral dari kondensor - Dipasang thermocouple pada titik yang sudah ditentukan

- Dimasukkan sekam padi 2,5 Kg - Dimasukkan reaktor

- Dimasukkan sekam 7,5 kg dari hopper

- Dihidupkan api pada pintu pengumpan panas - Dihidupkan blower

- Dicatat data temperatur pada reaktor dan ruang pembakaran dengan data logger

- Dimasukkan es batu ke dalam kondensor - Ditampung hasil pirolisis plastik

- Dilakukan penambahan sekam pada waktu ke 30, 60, 90 dan 150 menit.

- Dilakukan pengamatan sesuai dengan parameter pengujian alat.

Parameter Penelitian 1. Kapasitas efektif alat

Kapasitas efektif dihitung untuk mengetahui banyaknya massa/volume minyak yang dihasilkan persatuan waktu dari proses pirolisis. Kapasitas efektif alat dihitung dengan membagi jumlah produk yang dihasilkan terhadap waktu pengoperasian alat (Persamaan 20).

2. Rendemen

Rendemen adalah perbandingan minyak yang dihasilkan dari total bahan baku yang diolah (Persamaan 21). Rendemen dinyatakan dalam persen (%).

Semakin tinggi nilai rendemen dari hasil pirolisis, menunjukkan semakin tinggi kualitas proses yang terjadi. Setiap jenis plastik memiliki rendemen yang berbeda, namun rendemen plastik jenis yang sama dapat berbeda juga

jika dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya jenis alat pirolisis, suhu pirolisis.

3. Analisis ekonomi

Analisis ekonomi perlu dilakukan dalam membuat suatu alat agar dapat diketahui biaya yang harus dikeluarkan saat proses produksi dan penggunaan alat. Dengan melakukan analisis ekonomi terhadap alat yang dibuat, maka diketahui apakah alat tersebut bernilai ekonomis. Biaya produksi dihitung dengan cara menjumlahkan biaya tetap dan biaya tidak tetap (Persamaan 22).

Biaya tetap adalah biaya yang akan keluar walaupun alat tidak beroperasi (Persamaan 23 dan Persamaan 24). Biaya tidak tetap adalah biaya yang akan keluar hanya jika alat dioperasikan (Persamaan 25).

Break Event Point (BEP)

Pada titik BEP selisih antara biaya produksi dan nilai produk sama dengan nol artinya pada titik ini tidak ada kerugian dan tidak ada keuntungan yang didapat. Analisis BEP ini berfungsi sebagai informasi bagaimana hubungan antara volume penjualan, biaya dan pendapatan yang akan diperoleh pada level penjualan tertentu. Nilai Break Event Point dapat diketahui dengan merujuk pada Persamaam 27.

Net Present Value (NPV)

Manfaat menghitung nilai NPV yaitu untuk mengetahui kemampuan dan peluang suatu perusahaan untuk berinvestasi pada suatu alat pada keadaan nilai mata uang berubah. Nilai NPV dihitung dengan mencari selisih antara pemasukan dan pengeluaran yang mungkin diterima dan dikeluarkan pada masa mendatang,

namun pendapatan dan penerimaan itu telah didiskontokan pada masa sekarang (Persamaan 27).

Internal Rate of Return (IRR)

Nilai Internal Rate of Return dihitung untuk mengetahui perkiraan kelayakan lama pemilikan alat pada tingkat keuntungan tertentu (Persamaan (28)).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Integrasi Alat Pirolisis Plastik-Sekam Padi

Integrasi alat pirolisis ini dirancang dengan menggabungkan alat pirolisis plastik dan alat pirolisis sekam padi menjadi satu kesatuan alat yang utuh.

Perancangan dan pembuatan alat ini bertujuan untuk memanfaatkan limbah plastik dan sekam padi. Dengan mengintegrasikan alat pirolisis plastik dan alat pirolisis sekam padi, diharapkan dapat mengurangi biaya produksi untuk pirolisis plastik. Sekam padi layak dijadikan sebagai bahan bakar karena memiliki nilai kalor yang tinggi. Hasil akhir yang dapat dimanfaatkan dari proses pirolisis plastik-sekam padi ini ada 3 jenis yaitu asap cair, abu sekam, dan minyak plastik.

Integrasi alat pirolisis ini memanfaatkan kalor pembakaran sekam untuk memanaskan tabung reaktor. Plastik akan terpirolisis jika suhu dalam reaktor sudah cukup tinggi. Gas hasil pirolisis disalurkan ke pipa spiral kondensor agar dapat terkondensasi.

Gambar 1. Integrasi Alat Pirolisis-sekam Padi

Ruang bakar pada alat pirolisis ini didesain tertutup agar asap dari ruang bakar secara optimal disalurkan ke tabung kondensor. Untuk menyuplai udara

1. Hopper

2. Pipa Kondensor

3. Tabung kondensor 4. Ruang bakar 5. Ruang abu

keruang pembakaran maka digunakan blower. Blower yang digunakan adalah blower 2 inchi dengan kecepatan udara maksimal 25 m/s. Speed reducer pada blower digunakan untuk mengatur kecepatan udara keluar dari blower.

Gambar 2. Blower

Reaktor pada integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi ini memiliki diameter 30 cm dan panjang 85 cm. Bahan yang digunakan adalah stainless stell 304 dengan tebal plat 5 mm. Pipa spiral kondensor dihubungkan ke ujung reaktor.

Reaktor dikunci menggunakan 8 baut pengunci. Tutup reaktor harus dipastikan tertutup agar gas pirolisis tidak keluar dari celah-celah reaktor.

Gambar 3. Reaktor

Sekam dimasukkan dari hopper menuju ruang bakar, diameter hopper yaitu 30 cm dengan panjang 20 cm. Diameter saluran sekam yaitu 6 cm.

Kemiringan saluran hopper perlu diperhatikan agar jatuhnya sekam dari hopper dapat lancar.

Tabung kondensor memiliki diameter 15 cm dan panjang 1 meter. Di ujung tabung kondensor terdapat 2 kran, satu kran untuk saluran keluarnya minyak dan kran lainnya untuk pengurasan air kondensor. Temperatur air kondensor dijaga pada 25-27 ⁰C. Pipa spiral kondensor memiliki 51 lipatan dan tinggi 98 cm (Lampiran 2).

Ruang bakar pada integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi ini memiliki diameter 60 cm dan tinggi 95 cm. Ruang Bakar dibuat dari bahan stainless stell 304, dengan tebal plat 2 mm. Stainless stell 304 merupakan jenis baja yang daya tahannya jauh lebih tinggi dari jenis baja lainnya. Ruang bakar diselimuti oleh semen tahan api dengan tebal 5 cm. Dari pengujian yang dilakukan volume ruang bakar hingga terisi penuh yaitu 10 kg sekam padi. Pintu pengumpan panas memiliki tinggi 15 cm dan lebar 20 cm. Ruang pengumpan diberi sekat plat berlobang sehingga sekam tidak masuk kedalam ruang pengumpan panas.

Terdapat celah-celah di ruang bakar yang mengakibatkan asap tidak secara optimal disalurkan ke pipa spiral kondensor. Sekam yang digunakan pada pengujian integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi ini memiliki kadar air 7 %.

Alat integrasi pirolisis plastik sekam padi ini berbeda dengan rancangan alat pirolisis plastik oleh Sembiring (2017) yang dimana produk yang dihasilkan hanya minyak plastik, sedangkan dari integrasi alat pirolisis-plastik sekam padi ini produk yang dihasilkan beragam yaitu minyak plastik, asap cair dan abu sekam padi.

Proses pembakaran sekam di ruang bakar sangat tergantung pada excess air. Excess air yang optimal akan menghasilkan pembakaran sekam yang sempurna. Perkembangan suhu di ruang pembakaran dan reaktor dari waktu 0 menit sampai waktu ke 360 menit dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Grafik Perkembangan Suhu Ruang Pembakaran dan Reaktor Grafik menunjukkan suhu T2, T4, T8 pada menit ke 30 merupakan titik suhu paling tinggi. Hal ini disebabkan pada awal pembakaran diberi penambahan api pengumpan (batok kelapa). Suhu akan menurun secara drastis yang diakibatkan batok kelapa telah habis terbakar. Titik T2, T4 dan T8 merupakan titik yang suhu pembakarannya paling tinggi. Letak T2, T4 dan T8 di ruang pembakaran berada di ruang yang kebutuhan udaranya terpenuhi untuk proses pembakaran. Letak T1, T3, T5, T6 dan T7 berada di ruang pembakaran yang sulit dijangkau oleh udara blower, sehingga suhu pada titik-titik tersebut lebih kecil karena pembakaran bahan sekam terjadi secara tidak optimal. Hal ini juga dibuktikan bahwa abu pada titik T2,T4 dan T8 bercitra cenderung putih

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Suhu0C

Waktu (menit)

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

sedangkan pada titik T1, T3, T5, T6 dan T7 bercitra lebih hitam. Skema penempatan thermocouple pada ruang bakar dan reaktor dapat dilihat pada Gambar.

Gambar 5. Skema penempatan thermocouple di reaktor dan ruang bakar.

Kapasitas Efektif Alat

Kapasitas efektif alat yaitu jumlah produk yang dihasilkan oleh suatu alat persatuan waktu proses. Kapasitas efektif Integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi ini dapat dihitung dengan membandingkan jumlah minyak plastik yang dihasilkan (ml) terhadap waktu produksi minyak (jam). Data kapasitas efektif alat dapat dilihat pada Tabel 2:

Tabel 2. Kapasitas efektif alat

Ulangan Volume minyak (ml) Waktu (jam) Kapasitas alat (ml/jam)

1 60 6,15 9,7

2 67 6 11,6

3 75 6 12,5

Jumlah 202 18,15 33,8

Rataan 67,3 6,05 11,26

Rata-rata kapasitas efektif dari integrasi alat pirolisis plastik sekam-padi ini adalah 11,26 ml/jam. Jam kerja produksi dari integrasi alat pirolisis plastik- sekam padi ini adalah 12 jam/hari atau 2 kali proses produksi dalam satu hari.

Kapasitas alat dari tiga kali pengulangan adalah 9,7 ml/jam untuk ulangan pertama, 11,6 ml/jam untuk ulangan ke dua dan 12,5 ml/jam untuk ulangan ketiga.

Kapasitas efektif alat ini masih rendah jika dibandingkan dengan kapasitas efektif alat pirolisis plastik oleh Sembiring (2017), yang dimana rata-rata kapasitas efektif alat yang didapat adalah 150 ml/jam. Faktor penyebab nilai kapasitas efektif alat rendah adalah suhu pada reaktor rendah. Pada integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi ini suhu maksimum di reaktor untuk setiap ulangan yaitu 201^oC pada ulangan pertama, 151^oC pada ulangan kedua. Menurut Sembiring (2017), suhu reaktor optimal untuk pirolisis goni adalah 300^oC-350^oC. Alat pirolisis Sembiring (2017), memanfaatkan bahan bakar batok kelapa sedangkan pada alat pirolisis plastik-sekam padi ini bahan bakar yang digunakan adalah sekam padi. Suhu air kondensor juga sangat berpengaruh terhadap kinerja dari alat pirolisis, suhu air kondensor harus dijaga pada suhu 25-27 ⁰C agar gas dari hasil pirolisis dapat dikondensasikan.

Pirolisis plastik pada reaktor masih menyisakan unsur plastik yang tidak dapat dipirolisis lagi atau disebut dengan residu. Dari hasil pengujian alat, residu plastik goni pada ulangan 1 adalah 2,2 kg, pada ulangan 2 adalah 2,2 kg dan pada ulangan ke tiga 2,1 kg. Jika dibandingkan terhadap pirolisis plastik oleh Angkat (2018) dengan disain alat pirolisis plastik yang berbeda, residu yang tersisa adalah 780 gram dari total bahan yang diuji adalah 2,5 kg.

Rendemen

Rendemen merupakan perbandingan anatara berat produk yang dihasilkan terhadap berat bahan yang diolah dalam satuan persen (%). Integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi ini memiliki 3 produk akhir yaitu minyak, asap cair dan abu.

Rendemen minyak dari pengujian alat ini dapat dilihat pada Tabel 3 berikut:

Tabel 3. Rendemen minyak Ulangan Berat awal bahan

(Kg)

Volume (ml)

Produk akhir (Kg)

Rendemen (%)

1 3 60 46,73 1,55

2 3 67 55,52 1,85

3 3 75 60,75 2,02

Jumlah 9 202 163 5,42

Rataan 3 67,30 54,33 1,80

Rendemen minyak yang dihasilkan dari penelitian ini adalah 1,80%. Nilai ini lebih kecil jika dibandingkan dengan penelitian sebelumnya, nilai rendemen alat pirolisis Sembiring (2017) adalah 26,6%, dan pada penelitian oleh Cahyono (2016) nilai rendemennya adalah 36-44%. Faktor rendahnya nilai rendemen minyak adalah suhu reaktor, ada atau tidaknya kebocoran reaktor dan suhu air kondensor. Suhu maksimun di titik thermocouple yang dipasang pada ruang bakar dan reaktor dapat dilihat pada Tabel 4.

Tabel 4. Suhu maksimun di titik penyebaran thermocouple

Ulangan Suhu max di titik

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9

1 138,4 589 120,6 728,1 108,1 108,7 109 394,1 201

2 83,50 483,10 82,10 763,3 128,4 104,6 83,5 557,5 151,00 3 115,5 705,60 118,80 693,2 108,50 360,40 80,2 577,1 182,60

Suhu maksimun reaktor pada masing-masing pengulangan yaitu 201⁰C pada ulangan pertama, 151⁰C pada ulangan 2 dan 182,6⁰C pada ulangan ketiga.

Suhu reaktor sangat menentukan rendemen minyak yang dihasilkan dari proses pirolisis. Jika dibandingkan dengan penelitian Cahyono dkk. (2016) pengujian yang dilakukan selama 90 menit pada suhu reaktor konstan 200⁰C rendemen yang

didapat adalah 36%, suhu reaktor konstan 300⁰C rendemen yang didapat adalah 43%, dan pada suhu reaktor 400⁰C rendemen yang didapat adalah 44%.

Proses pirolisis sekam padi menghasilkan asap cair, tar dan gas umumnya terdiri dari CO2, CO, CH4, dan H2 (Hartanto dan Alim, 2014). Asap cair yang dihasilkan dapat digunakan untuk menggumpalkan lateks, pengawet makanan, dan menetralisir asam tanah. Nilai rendemen asap cair pada alat ini dapat dilihat pada Tabel 5.

Tabel 5. Rendemen asap cair Ulangan

(n)

Berat awal bahan (Kg)

Volume (ml)

Berat asap cair (gr)

Rendemen (%)

1 16 111 110,9 0,69

2 14 90 89,4 0,63

3 11,5 500 495,5 4,3

Jumlah 41,5 701 695,8 5,62

Rataan 13,83 233,6 231,9 1,87

Rata-rata nilai rendemen asap cair pada penelitian ini adalah 1,87%. Pada ulangan ketiga nilai rendemen asap cair signifikan lebih tinggi yaitu 4,3%, hal ini dikarenakan pada ulangan ketiga telah dilakukan perbaikan terlebih dahulu terhadap ruang bakar sehingga asap terbuang dari ruang bakar lebih sedikit. Pada alat ini ruang bakar belum tertutup secara utuh sehingga asap cair banyak yang tidak tertampung. Asap cair dapat dimanfaatkan untuk menyuburkan tanah, menetralisir asam tanah dan sebagai bahan pengawet. Nilai rendemen asap cair pada penelitian ini jauh lebih kecil jika dibandingkan dengan penelitian Chen dkk.

(2015), nilai rendemen asap cair yang dihasilkan adalah 30%.

Produk lain dari alat pirolisis plastik-sekam padi ini adalah abu dan arang sekam. Pada pengujian alat ini dilakukan penambahan sekam ke ruang bakar.

Sekam yang digunakan pada pengujian ini diusahakan memiliki nilai kadar air 7%. Jumlah sekam yang ditambah pada setiap ulangan dapat dilihat pada Tabel 6.

Tabel 6. Penambahan sekam pada waktu yang berbeda Ulangan Sekam awal

(Kg)

Penambahan sekam (Kg) waktu ke-

Total (Kg) 30 menit 60 menit 90

menit

150 menit

1 10 1,5 1,5 1,5 1,5 16

2 10 1,5 1,5 1,0 14

3 10 1,5 - - - 11,5

Pembakaran sekam diruang bakar menghasilkan abu. Ada beberapa tipe abu yang dihasilkan yaitu tipe 1(putih), tipe 2 (hitam putih), dan tipe 3(arang sekam), namun pada ulangan pertama dan kedua terdapat sisa sekam utuh.

Rendemen abu pada penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 7.

Tabel 7. Rendemen abu sekam padi Ulangan

Berat awal sekam

(Kg)

Abu Rendemen

abu (%)

Sisa sekam utuh (Kg) Tipe 1

(Kg)

Tipe 2 (Kg)

Tipe 3 (Kg)

1 16,0 0,19 2,00 - 13,6 4

2 14,0 0,35 2,15 0,15 18,9 3

3 11,5 0,31 1,70 1,00 26,1 -

Jumlah 41,5 0,85 5,85 1,15 58,6 7,36

Rataan 13,83 0,28 1,95 0,38 19,5 2,45

Dari hasil pembakaran sekam diperoleh abu tipe 1 (abu putih). Abu putih didapat dari titik thermocouple 2, thermocouple 4, dan thermocouple 5, dimana masing-masing suhu pembakarannya adalah 705,60 di T2, 763,3 di T4, dan 577,1 di T8. Keadaan sekam yang padat dapat mempengaruhi laju pembakaran sekam.

Udara akan sulit masuk jika sekam terlalu padat. Pada pengujian pertama dan kedua masih tersisa sekam utuh. Penambahan sekam saat produksi juga mengakibatkan terbuangnya gas pirolisis sekam saat pintu hopper dibuka.

Analisis Ekonomi

Analisis ekonomi dilakukan untuk menghitung biaya produksi yang dikeluarkan, sehingga keuntungan yang didapat dari setiap pengolahan dapat diketahui. Dalam analisis ekonomi perlu diketahui biaya tetap atau biaya yang

harus dikeluarkan walaupun alat tidak beroperasi dan biaya tidak tetap atau biaya yang dikeluarkan hanya jika alat beroperasi. Analisis ekonomi ini menetukan biaya pokok setiap produksi yang dimana didalamnya sudah terdapat biaya penyusutan, biaya operator, biaya perbaikan, biaya modal. Analisis ekonomi pada integrasi alat pirolisisis plastik-sekam padi dapat dilihat pada Tabel 8.

Tabel 8. Analisis ekonomi

Tahun BT

(Rp/tahun)

X (jam/tahun)

BTT

(Rp/jam) C (jam/ml) BP (Rp/ml)

1 3.557.853 3.600 9157,5 0,088 893

2 3.714.245 3.600 9157,5 0,088 897

3 3.878.679 3.600 9157,5 0,088 901

4 4.052.050 3.600 9157,5 0,088 905

5 4.236.145 3.600 9157,5 0,088 909

Dari Tabel 7 dan Lampiran 7 dapat dilihat bahwa biaya pokok setiap tahun memiliki nilai yang berbeda, hal ini dikarenakan nilai penyusutan dari alat semakin lama semakin besar. Biaya pokok untuk tahun pertama yaitu Rp 893/ml, Rp 897/ml tahun kedua, Rp 901/ml tahun ke tiga, Rp 905/ml tahun ke empat dan 909/ml untuk tahun ke lima. Biaya pokok produksi yang paling kecil yaitu pada tahun pertama sedangkan biaya pokok produksi paling besar adalah pada tahun ke lima.

Break Event Point (BEP)

Break Event Point atau analisis titik impas yang artinya adalah produksi minimal alat setiap tahunnya, dalam hal ini keuntungan dianggap nol atau tidak mengalami kerugian. Dari perhitungan yang dilakukan (Lampiran 8), Break Event Point dari integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi ini adalah 23.404 ml/tahun, artinya alat ini harus memproduksi minimal 23.688 ml/tahun, agar tidak mengalami kerugian.

Net Present Value (NPV)

Penghitungan Net Present Value (Lampiran 9) untuk integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi ini dilakukan untuk mengetahui apakah usaha ini layak atau tidak untuk dilakukan. Jika NPV>0, maka suatu usaha layak untuk diusahakan, sebaliknya jika NPV<0 maka usaha tersebut tidak layak untuk diusahakan. Nilai NPV dari integrasi alat pirolisis sekam padi ini pada suku bunga 5,25% adalah Rp 17.348.147. Dapat disimpulkan bahwa usaha ini layak untuk dikembangkan karena NPV lebih besar dari nol (Rp 17.348.147>0).

Internal Rate of Return (IRR)

Internal Rate of Return digunakan untuk mengetahui batas kelayakan bunga pinjaman suatu alat untuk lama waktu pemakaian tertentu. Dari perhitungan yang dilakukan (Lampiran 10), nilai IRR yang didapat adalah 42,59%, artinya integrasi alat pirolisis-plastik sekam padi ini masih layak untuk diusahakan jika suku bunga pinjaman dibawah 42,59%. Semakin tinggi nilai suku bunga maka keuntungan yang diperoleh semakin kecil.

39

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

1. Kapasitas integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi ini adalah sebesar 11,26 ml/jam

2. Rendemen yang didapat pada integrasi alat pirolisis plastik-sekam padi ini adalah 1,80% untuk rendemen minyak, 1,87% untuk rendemen asap cair, dan 19,5% untuk rendemen abu.

3. Biaya pokok produksi minyak sebesar Rp 893/ml pada tahun pertama, Rp 897/ml pada tahun kedua, Rp 901/ml pada tahun ketiga, Rp 901/ml pada tahun keempat, dan Rp 909/ml pada tahun kelima.

4. Alat ini akan mencapai break event point apabila alat telah mengahasilkan minyak sebanyak 23.688 ml/tahun.

5. Net present value alat ini pada suku bunga 5,25% adalah Rp 17.348.147, yang artinya bahwa usaha ini layak untuk dijalankan.

6. Internal rate of return pada alat ini adalah sebesar 42,59%

Saran

1. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai rancangan ruang bakar yang lebih tertutup agar asap lebih optimal masuk ke kondensor.

2. Perlu dilakukan penelitian mengenai pengaruh massa udara masuk ke ruang bakar terhadap tinggi suhu ruang pembakaran.

DAFTAR PUSTAKA

Angkat, R. M., 2018. Uji Perbandingan Komposisi Beberapa Limbah Plastik Pada Alat Pirolisis Limbah Polimer. Skripsi. Universitas Sumatera Utara.

Medan.

Badan Litbang pertanian. 2008. Sekam Padi Sebagi Sumber Energi Alternatif dalam Rumah Tangga Petani. http://www.litbang.pertanian.go.id [6 februari 2018].

Busyairi, M., J.D.Ramadhan, D.W.Wijayanti. 2015. Perencanaan Pengelolaan Sampah Terpadu di kelurahan Sempaja Selatan Kota Samarinda.

Jurnal Bumi Lestari 15:136-146.

Cahyono, M.S., W.W. Mandala, S. Ma’arif H.B. Sukarjo dan W. Wardoyo. 2016.

Pengaruh Suhu terhadap Rendemen dan Nilai Kalor Minyak Hasil Pirolisis Sampah Plastik. Jurnal Mekanika dan Sistem Termal, 1: 49-59

Chen, C.P., A.N. Huang dan H.P. Kuo. 2015. Analysis of The Rice Husk Pyrolisis Product from a Fluidized Bed reaktor. Procedia Engineering 102: 1183- 1186

Daywin, F. J., R. G. Sitompul, dan Hidayat, 2008. Mesin-Mesin Budidaya Pertanian di Lahan Kering. Graha Ilmu. Yogyakarta

Ermawati, R., 2011. Konversi Limbah Plastik Sebagai Sumber Energi Alterntif.

Kementrian Perindustrian 5: 257-263

Hartanto, F. P., F. Alim. 2014. Optimasi Kondisi Operasi Pirolisis Sekam Padi Untuk Menghasilkan Bahan Bakar Briket Bioarang Sebagai Bahan Bakar Alternatif. Semarang. http://www.eprints.undip.ac.id [7 februari2018].

Holman, J. P, 2010. Heat Transfer, 10^th Edition. Department of Mechanical Engineering Southern Methodist University (US). McGraw-Hill.

Karuniastuti, H. 2008. Bahaya Plastik Terhadap Kesehatan dan Lingkungan.

Jawa Tengah. http://www.pusdiklatmigas.esdm.go.id [7 februari2018].

Kurniawan, I., Martin, A., Mintarto, 2015. Rancang Bangun Kondenser pada Pengering Beku Vakum. http://repository.unri.ac.id [7 februari2018].

Lienhard IV JH, Lienhard V JH., 2003. A Heat Transfer Textbook, 3^rd Edition.

Massachucetts (US), Phlogiston Press.

McCabe, W., Smith, J., Harriott, P., 2005. Unit Operation of Chemical Engineering, 7^th edition. McGraw-Hill, Singapore.

Nawafi, F. 2010. Perbandingan Efisiensi Tungku Sekam Skala Industri Kecil Sistem Boiler dan Non Boiler. Skripsi. Institut Pertanian Bogor. Bogor Prasojo,M. 2017. Manfaat asap cair untuk penyubur tanaman, pengendali hama

dan pengawet makanan. https://unsurtani.com [15 Agustus 2018].

Purwono, 2002. Penggunaan Pengukuran Brix Untuk Menduga Rendemen Nyata di Pabrik Gula Putih Mataram, Lampung. Divisi R & D PG GPM.

Ramadhan, A., P. dan M. Ali. 2014. Pengolahan Plastik Menjadi Minyak Menggunakan Proses Pirolisis. Jurnal Ilmiah Teknik Lingkungan Universitas Pembangunan Nasional 4:44-53.

Sahwan, L., Djoko, H.M., Sri, W. dan Lies, A. W. 2005. Sistem Pengelolaan Limbah Plastik di Indonesia. Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Lingkungan. Jakarta.

Sembiring, S. V. 2017. Optimasi Alat Pengolahan Limbah Pertanian Untuk Menghasilkan Bahan Bakar. Skripsi. Universitas Sumatera Utara Medan

Simorangkir, H. 2011. Kajian Efisiensi Energi Tungku Sekam Berdasarkan Jumlah, Bentuk, dan Ukuran Sirip Yang Dipasang. Skripsi. Institut Pertanian Bogor. Bogor.

Soeharno. 2007. Teori Mikroekonomi. Andi Offset, Yogyakarta.

Statistik Pertanian, Departemen pertanian. 2004. Prospek dan Arah Pengembangan Bisnis Padi. http://www.litbang.pertanian.go.id

[6 Februari 2018].

Suharno. 1979. Sekam Padi Sebagai Sumber Energi Alternatif.

http://www.smallcrab.com [8 Februari2018].

Suyamto dan Wargiono. 2006. Potensi dan Peluang Pengembangan Ubi Kayu untuk Industri Ubi Bioetanol. Prosiding Lokakarya Pengembangan Ubi Kayu. Balitkabi. Malang.

Suyitno. 2009. Perumusan Laju Reaksi dan Sifat-Sifat Pirolisis Lambat Sekam Padi Menggunakan Metode Analisis Termogravimetri. Universitas Sebelas Maret. Surakarta.

Widayati, S. 2017. Pengertian dan Jenis-jenis Plastik. http://www.g-excess.com [7 Februari 2018].

Williams, P.T., E.Slaney. 2007. Analysis of products from the pyrolysis and liquefaction of single plastics and waste plastic mixtures. Resource Conservation Recycle, 51: 754-769

Yudisaputro, H. 2015. Optimalisasi proses pembakaran-perbandingan excess air bahan bakar. Batu bara. http://berbagienergi.com [16 Agustus 2018].

43 Lampiran 1. Flow chart Penelitian

Mulai

Identifikasi Masalah

Menentukan dimensi alat

Pengukuran parameter

Selesai Pengujian alat

Pabrikasi Menggambar alat Analisa Tehnik

Layak Studi Literatur

Tidak

Ya

Analisa data

Lampiran 2. Penentuan tinggi pipa spiral (Helical coil) dan jumlah lilitan.

Pipa penghubung digunakan untuk menghubungkan reaktor dengan kondensor, panjang pipa penghubung 20 % dari panjang pipa kondensor agar mengurangi beban kerja kondensor. Jadi panjang helical tube adalah 355 cm.

Untuk menentukan jumlah lilitan kita merujuk pada Persamaan 18

N= ^m

√ x x ( ) ( )

= 22 lilitan Tinggi helical coil dapat ditentukan :

H = (22 lilitan x 0,047 m) + 0,0127 H = 1,07 m

Lampiran 3. Kebutuhan Sekam

Kebutuhan energi untuk menguapkan polimer jenis PET, jika: Massa polimer = 3 kg

Temperatur initial = 28 ^oC = 301 K

Nilai kalor sekam = Q sekam = 14200 kJ/kg Asumsi efisiensi termal tungku = 15%

Temperatur destilasi = 530 K

Cp polimer jenis PET = 2,1136 kJ/kg K

Q_destilasi = Qpemanasan + Qpeleburan + Qdekomposisi + Qgasifikasi + Qgasifikasi char yields

Q _pemanasan m x p x

H_peleburan = 37 J/g = 37 kJ/kg Hdekomposisi =1800J/g=1800kJ/kg Hgasifikasi = 2570 J/g = 2570 kJ/kg

Lgasifikasi char yields = 3020 J/g = 3020 kJ/kg Maka,

Q_destilasi = {3 x 2,1136 x (530 – 301)} + 4 (37 + 1.800 + 2.570 + 3.020)

= 31.160,04 kJ

Massa sekam = Q_destilasi/(Qs_ekam x Eff termal)

= 31.160,04 / (14.200 x 15%)

= 14,62913 kg

= 15 kg

Sekam yang dibutuhkan untuk mempirolisis 3 kg polimer jenis PET adalah sebanyak 15 kg