PERMODELAN PERPINDAHAN MASSA PADA PROSES PENGERINGAN LIMBAH PADAT INDUSTRI TAPIOKA DI DALAM TRAY DRYER

SKRIPSI – RK 1583

PERMODELAN PERPINDAHAN MASSA PADA PROSES PENGERINGAN LIMBAH PADAT INDUSTRI TAPIOKA DI DALAM TRAY DRYER

AULIA AGUS KURNIADY NRP 2303 109 016

NIDIA RACHMA SETIYAJAYANTRI NRP 2306 100 614

Dosen Pembimbing Dr. Ir. Susianto, DEA

Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT

Laboratorium Perpindahan Massa dan Panas JURUSAN TEKNIK KIMIA

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

2009

FINAL PROJECT – RK 1583

MASS TRANSFER MODELLING FOR DRYING PROCESS THE TAPIOCA INDUSTRY SOLID WASTE IN

TRAY DRYER

AULIA AGUS KURNIADY NRP 2303 109 016

NIDIA RACHMA SETIYAJAYANTRI NRP 2306 100 614

Advisor Lecture Dr. Ir. Susianto, DEA

Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT

Mass and Heat Transfer Laboratory CHEMICAL ENGINEERING DEPARTMENT Faculty Of Industrial Technology

Sepuluh Nopember Institute Of Technology Surabaya

2009

PERMODELAN PERPINDAHAN MASSA PADA PROSES PENGERINGAN LIMBAH PADAT

INDUSTRI TAPIOKA DI DALAM TRAY DRYER

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

pada

Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Oleh :

AULIA AGUS K. NIDIA RACHMA S.

Nrp. 2303109016 Nrp. 2306100614 Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir :

1. Dr. Ir. Susianto, DEA ...

(Pembimbing 1)

2. Prof. Dr.Ir. Kusno Budhikarjono,MT ...

(Pembimbing 2)

3. Dr. Ir. Tontowi Ismail, MS ...

(Penguji I)

4. Ir. Mulyanto, MT ...

(Penguji II)

SURABAYA Agustus 2009

LEMBAR PERSETUJUAN

Skripsi dengan Judul :

PERMODELAN PERPINDAHAN MASSA PADA PROSES PENGERINGAN LIMBAH PADAT

INDUSTRI TAPIOKA DI DALAM TRAY DRYER

Telah diperiksa dan disetujui oleh :

Dosen Pembimbing 1 Dosen Pembimbing 2

Dr. Ir. Susianto, DEA Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT NIP. 131 846 109 NIP. 130 532 041

Mengetahui,

Kepala Laboratorium Perpindahan Massa dan Panas

Prof. Dr. Ir. Ali Altway, MS NIP. 130 519 878

Penyusun,

Aulia Agus K. Nidia Rachma S.

2303 109 016 2300 100 614

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami sampaikan kehadirat Allah SWT karena hanya dengan rahmat dan berkah-Nya kami dapat menyelesaikan Laporan Skripsi dengan judul:

PERMODELAN PERPINDAHAN MASSA PADA PROSES PENGERINGAN LIMBAH PADAT INDUSTRI

TAPIOKA DI DALAM TRAY DRYER

Laporan Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar kesarjanaan di Jurusan Teknik Kimia FTI- ITS Surabaya.

Pada kesempatan ini, kami menyampaikan terima kasih kepada:

1. Bapak Dr. Ir. Tri Widjaja, M.Eng selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS.

2. Bapak Dr. Ir. Susianto, DEA selaku Sekretaris Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS.

3. Bapak Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT selaku Kasie Tugas Akhir Teknik Kimia FTI-ITS.

4. Bapak Prof. Dr. Ir. Ali Altway, MS selaku Kepala Laboratorium Perpindahan Massa dan Panas.

5. Bapak Dr. Ir. Susianto, DEA dan Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT selaku dosen pembimbing yang telah memberikan banyak masukan bagi kami.

6. Orangtua dan keluarga kami atas segala kasih sayang dan pengertian yang telah diberikan.

7. Teman-teman di Laboratorium Perpindahan Massa dan Panas atas kebersamaannya.

8. Semua pihak yang telah membantu secara langsung maupun tidak, sehingga kami dapat menyelesaikan Laporan Skripsi ini.

Kami menyadari bahwa Laporan Skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kami mengharapkan saran dan kritik yang membangun.

Surabaya, Agustus 2009

Penyusun

PERMODELAN PERPINDAHAN MASSA PADA PROSES PENGERINGAN LIMBAH PADAT INDUSTRI

TAPIOKA DI DALAM TRAY DRYER

Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Susianto, DEA

Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT Disusun oleh : Aulia Agus K. NRP. 2303 109 016

Nidia Rachma S. NRP. 2306 100 614

ABSTRAK

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan model matematis proses pengeringan limbah padat tapioka di dalam tray dryer dan mengestimasi harga parameter model difusivitas efektif (Deff) dan koefisien perpindahan massa uap air pada permukaan padatan ke udara pengering (kG).

Penelitian dilaksanakan dengan mengembangkan model matematis yang didasarkan pada konsep hukum II Fick untuk difusi pada padatan berbentuk lempeng (slab). Faktor partisi dimasukkan dalam model pengeringan pada penelitian ini untuk kondisi batas pada permukaan padatan limbah tapioka.

Persamaan diferensial proses difusi untuk pengeringan diselesaikan secara numerik dengan metode finite difference.

Hasil pengembangan model matematis ditulis dalam program Matlab versi 6.5. Validasi model dilakukan dengan fitting parameter model Deff dan kG menggunakan data eksperimen yang telah dilakukan oleh Dedi dkk (2009) dengan kondisi

percobaan suhu udara pengering 60, 70, dan 80 ^oC, kecepatan udara pengering0.2 ; 0.6 ; dan 1 m/s, dan tebal sampel 0.005 m.

Difusivitas efektif (Deff) dipengaruhi oleh suhu udara pengering, dimana semakin tinggi suhu udara pengering pada rentang suhu pengeringan antara 60 sampai 80 ^oC maka harga Deff semakin besar dengan rentang harga dari 7.33x10^-8 sampai 7.73x10^-8 m²/detik, pengaruh suhu terhadap Deff dapat dinyatakan dengan Deff ∝ T^0.91. Koefisien perpindahan massa (kG) semakin meningkat dengan kenaikan suhu udara pengering dan kecepatan alir udara. Pada rentang suhu pengeringan antara 60 menjadi 80 ^oC menyebabkan kenaikan kG antara 2.20x10^-9 sampai 2.24x10^-9 kgmol/detik m² Pa, pengaruh suhu terhadap kG dapat dinyatakan dengan kG ∝ T^0.31. Sedangkan peningkatan kecepatan alir udara dari 0.2 sampai dengan 1 m/s menyebabkan kenaikan harga kG dari 1.98x10^-9 menjadi 2.20x10^-9 kgmol/detik m² Pa, pengaruh kecepatan alir udara terhadap kG dapat dinyatakan dengan kG ∝ v^0.07.

Kata kunci : Permodelan, difusivitas efektif, koefisien perpindahan massa, faktor partisi, tray dryer, limbah padat tapioka.

MASS TRANSFER MODELLING FOR DRYING PROCESS THE TAPIOCA INDUSTRY SOLID WASTE IN

TRAY DRYER

Advisor Lecture : Dr. Ir. Susianto, DEA

Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT

Compilled by : Aulia Agus K. NRP. 2303 109 016 Nidia Rachma S. NRP. 2306 100 614

ABSTRACT

The purpose of this research is to develop mathematical model of drying process of tapioca solid waste in tray dryer and estimate the parameter value of effective diffusivity (D_eff) and mass transfer coefficient water vapor at solid surface (kG).

The research has been carried out by developing mathematical model based on second Fick’s law for diffusion at solid slab. This research considered the surface resistance by introducing partition factor for boundary condition at solid surface. The differential equation of diffusion process for drying was solved numerically using finite difference method.

The developing result of mathematical model has been written on 6.5 version Matlab program. Model validation has done to fit model parameter D_eff and k_G using experiment data Dedi’s (2009) with experimental condition drying air temperature 60, 70 and 80 ^oC, drying air velocity 0.2 ; 0.6 ; and 1 m/s, and sample thickness 0.005 m.

Effective Diffusivity (Deff )is influenced by drying air temperature. The value of Deff increase from 7.33x10^-8 to

7.73x10^-8 m²/second with increasing drying temperature from 60 to 80 ^oC , influence of temperature to Deff can be expressed with Deff

∝

T^0.91. Mass transfer coefficient (kG) ever mount with increase of dryer air temperature and air velocity. The value of k_G increase from 2.20x10^-9 to2.24x10^-9 kgmol/second m²Pa with increasing drying temperature from 60 to 80 ^oC, influence of temperature to k_G can be expressed with k_G

∝

T^0.31. While make-up of air velocity from 0.2 up to 1 m / s the value of kG

increase from1.98x10^-9 to 2.20x10^-9 kgmol / second m² Pa, influence of air velocity to kG can be expressed with kG

∝

v^0.07. Keyword : Model, effective diffusivity, mass transfer coefficient, partition factor, tray dryer, tapioca solid waste.

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN LEMBAR PERSETUJUAN

KATA PENGANTAR...

ABSTRAK...

ABSTRACT...

DAFTAR ISI...

DAFTAR TABEL...

DAFTAR GAMBAR...

BAB I PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang...

I.2. Perumusan Masalah...

I.3. Tujuan Penelitian...

I.4. Manfaat Penelitian...

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

II.1. Singkong dan Proses Pengolahan Tepung Tapioka...

II.1.1. Singkong...

II.1.2. Industri Tepung Tapioka...

II.1.3. Limbah Padat Industri Tapioka...

II.2. Teori Pengeringan...

3 5 7 9 12 13

15 18 18 19

20 20 21 21 22

II.2.1. Perpindahan Massa Aliran Gas di Atas Permukaan padatan...

II.2.2. Difusi Moisture Pada Pengeringan...

II.3. Model Matematis Proses Pengeringan...

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

III.1. Langkah-Langkah Penelitian...

III.2. Pengembangan Model Matematis...

III.3. Penyelesaian Numerik...

III.4. Pembuatan Program...

III.5. Validasi Model...

III.6. Flowchart Simulasi Pengeringan Limbah Padat Tapioka di dalam Tray Dryer...

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

IV.1. Pengaruh Parameter Koefisien Difusi Efektif Terhadap Hasil Pemodelan...

IV.2. Pengaruh Parameter Koefisien Perpindahan Massa (kG) Terhadap Hasil Pemodelan...

IV.3. Validasi Model...

IV.4. Pengaruh Suhu Udara Pengering Terhadap Karakteristik Pengeringan...

IV.5. Pengaruh Kecepatan Alir Udara Terhadap KarakteristikPengeringan...

24 25 26

32 33 35 35 35

36

40

41 43

46

47

IV.6. Pengaruh Kondisi Operasi Pengeringan Terhadap Parameter PerpindahanMassa...

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

V.1. Kesimpulan...

V.2. Saran...

DAFTAR NOTASI...

DAFTAR PUSTAKA...

LAMPIRAN A PERHITUNGAN...

LAMPIRAN B PENYELESAIAN NUMERIK...

LAMPIRAN C HASIL VALIDASI...

LAMPIRAN D LISTING PROGRAM...

48

52 53 54 56 59 64 68 79

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Komposisi rata-rata umbi singkong...

Tabel 2.2 Analisa komposisi limbah padat tapioka (dry basis) ...

Tabel 2.3 Model semi teoritis lapisan tipis untuk kurva karakteristik pengeringan...

Tabel 4.1 Hasil validasi model...

20 22 27 46

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Kurva pengeringan untuk

pengeringan konveksi...

Gambar 3.2. Diagram alir langkah-langkah

Penelitian...

Gambar 4.1. Profil perubahan moisture content terhadap waktu pengeringan untuk berbagai Harga Deff pada kG = 5x10^-9 m²/detik, v = 1m/detik, Mo= 2,651 kg H2O/kg Padatan Kering...

Gambar 4.2. Profil perubahan moisture content terhadap waktu pengeringan untuk berbagai harga kG pada Deff = 1x10^-9 m²/detik, v=1m/detik, Mo= 2,651 kg H2O/kg Padatan Kering...

Gambar 4.3. Validasi data percobaan dengan model matematis pada T = 80^o C, v = 1 m/detik dan Mo = 2,651 kg H2O/kg padatan kering...

Gambar 4.4. Validasi data percobaan dengan model matematis pada T = 70^o C, v = 1 m/detik dan Mo = 2,651 kg H2O/kg padatan kering...

Gambar 4.5. Validasi data percobaan dengan model matematis pada T = 60^o C, v = 1 m/detik dan Mo = 2,651 kg H2O/kg padatan kering...

Gambar 4.6 Validasi data percobaan dengan model matematis pada T = 60^o C,

23 32

41

42

43

44

44

v = 1 m/detik dan Mo = 2,694 kg H2O/kg padatan kering...

Gambar 4.7 Validasi data percobaan dengan model matematis pada T = 60^o C, v = 1 m/detik dan Mo = 2,766 kg

H2O/kg padatan kering...

Gambar 4.8 Profil perubahan moisture content terhadap waktu pengeringan untuk berbagai suhu udara pengering pada v = 1 m/detik dan Mo = 2,651 kg H2O/kg padatan kering...

Gambar 4.9 Profil perubahan moisture content terhadap waktu pengeringan

untuk berbagai kecepatan alir udara pengering pada T = 80⁰C...

Gambar 4.10 Pengaruh suhu udara pengering terhadap harga Deff pada v = 1 m/detik...

Gambar 4.11 Pengaruh suhu udara pengering terhadap harga kG pada v = 1 m/detik...

Gambar 4.12 Pengaruh kecepatan alir udara

pengering terhadap koefisien

perpindahan massa pada t=60⁰C...

45

45

47

48

49

50

51