BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Proses Pembuatan Ammonium Nitrate Prill
Pada prinsipnya, pembuatan amonium nitrat menggunakan bahan baku gas amonia dan asam nitrat cair merupakan reaksi neutralisasi yang terjadi pada sebuah reaktor pipa. Reaksi kimia yang terjadi adalah sebagai berikut :
NH3 (g) + HNO3 (l) NH4NO3 (aq) ΔH = - 6290 kJ/kg NH3
Reaksi antara amonia dan asam nitrat ini dilakukan pada suhu 90 – 110 0C ,
menghasilkan larutan amonium nitrat 88 % dan panas reaksi (bersifat eksotermis). Panas dari reaksi ini dimanfaatkan kembali sebagai pemanas pada proses penguapan amonia.
Larutan amonium nitrat yang dihasilkan dari reaksi kemudian dipompakan ke Evaporator (222KE) untuk proses pemekatan. Proses pemekatan dengan
menggunakan evaporator bertekanan vakum, pada suhu 160 oC sudah tercapai
amonium nitrat dengan konsentrasi 97,5 %, dimana pada konsentrasi tersebut amonium nitrat bisa dikirim ke menara pembutir (prilling tower).
Gambar 2.1 Wet Section Flow Diagram
Pada menara pembutir, terbentuk butiran-butiran amonium nitrat dimana larutan amonium nitrat yang disemburkan melalui nozzle berkontakkan dengan udara secara counter-current. Prill-prill ini kemudian mengalami perlakuan lanjutan untuk dihasilkan prill amonium nitrat sesuai dengan standar yang ditentukan. Perlakuan yang dilakukan pada prill amonium nitrat yang dilakukan antara lain pengeringan awal, pengeringan lanjutan, screening dan sizing, pendinginan, pelapisan, pengemasan dan kemudian disimpan pada gudang penyimpanan.
Gambar 2.2 Dry Section Flow Diagram
2.2 Prill Amonium Nitrat
Prill atau butiran merupakan agregat kecil dari sebuah bahan atau material yang berbentuk seperti bola kering dan dihasilkan dari cairan meleleh (melt). Prill ini terbentuk dengan membiarkan tetes melt menggumpal atau membeku di udara setelah melt menetes dari bagian atas menara pembutir (Wikipedia, 2012).
Amonium nitrat yang diproduksi di PT. Multi Nitrotama Kimia dengan teknologi Kaltenbach Thuring ditujukan sebagai bahan peledak dalam bentuk prill. Larutan amonium nitrat yang telah dipekatkan pada proses evaporasi menjadi melt dengan konsentrasi 96 – 98 % dibutirkan di menara pembutir untuk menghasilkan amonium nitrat dengan bentuk butiran. Mekanisme yang terjadi pada proses pembutiran adalah melt amonium nitrat akan diteteskan dari bagian atas menara pembutir melalui sebuah nozzle distributor. Tetesan melt amonium
nitrat kemudian dikontakkan dengan udara atmosfer yang ditarik oleh dua buah blower di bagian atas menara pembutir. Sepanjang menara akan terjadi penurunan suhu yang mengakibatkan perubahan fasa amonium nitrat dari liquid menjadi kristal/padat karena suhu mencapai titik kristal (crystal point) dari amonium nitrat.
Prill amonium nitrat tersusun atas kumpulan kristal yang tidak beraturan kristal ini terbentuk saat melt amonium nitrat mencapai titik kristalnya dan kristal ini akan berubah bentuk saat proses pengeringan. Pada saat terbentuk prill, bagian dalam dari prill masih dalam bentuk hollow yaitu perubahan dari melt/solution menjadi bentuk solid. Pembentukan prill amonium nitrat ini juga dipengaruhi oleh internal additive yang ditambahkan pada melt amonium nitrat. Internal additive yang ditambahkan akan membentuk kristal prill tidak menempel satu sama lain, ukuran kristal yang kecil dan merata, membantu perpindahan air dari dalam prill menuju ke permukaan, mendispersikan bentuk prill menjadi porous dan memberikan ketahanan terhadap thermal cycle pada prill.
Sebagai bahan peledak, prill amonium nitrat memiliki parameter tertentu yang menunjukkan kualitas prill tersebut. Parameter kualitas yang penting dalam membuat LDAN (Low Density Ammonium Nitrate) ini antara lain oil absorption, bulk density, crushing strength, friability, thermal cycling, hardness dan sensitivity. Parameter-parameter ini bergantung pada bentuk, ukuran dan banyaknya kristal yang menyusun prill, banyaknya hollow di dalam prill dimana dapat diatur sedemikian rupa dengan bergantung pada konsentrasi amonium nitrat, jumlah internal additive, dan juga proses pengeringan. Prill amonium nitrat yang dihasilkan dengan menggunakan teknologi Kaltenbach Thuring merupakan prill dengan high oil absorption tetapi bukan berarti memiliki low crushing strength. Selain itu, kualitas prill juga dipengaruhi oleh kandungan air (moisture) yang terkandung di dalamnya. Diharapkan moisture prill yang dihasilkan sekecil mungkin, sehingga dilakukan dua tahapan pengeringan yaitu pengeringan awal (predrying) dan pengeringan lanjutan (drying). Predrying dilakukan untuk menghindari terjadinya capsulation pada prill yang selanjutnya dilakukan drying untuk menguapkan air dan membentuk rongga-rongga pada prill. Proses
pengeringan ini dilakukan pada dua buah alat pengering dengan bentuk rotary dryer untuk menghasilkan prill amonium nitrat dengan moisture 0,1 % w.
2.3 Prinsip Pengeringan
Secara umum, pengeringan berarti menghilangkan sejumlah air yang relatif kecil dari suatu bahan. Biasanya uap air dihilangkan dengan menggunakan udara (Geankoplis, 559). Pengeringan merupakan proses akhir yang dilakukan sebelum tahap pengemasan dengan tujuan untuk memudahkan penanganan bahan tersebut.
Metode dan proses pengeringan dapat diklasifikasikan dalam beberapa cara yang berbeda. Proses pengeringan dapat diklasifikasikan menjadi batch, dimana material dimasukkan ke dalam alat pengering dan proses pengeringan berlangsung dalam waktu tertentu atau secara kontinyu, dimana material dimasukkan ke alat pengering secara kontinyu, begitu juga dengan material yang telah dikeringkan akan dikeluarkan secara kontinyu.
Proses pengeringan juga dapat dikategorikan berdasarkan kondisi fisika yang digunakan untuk menghilangkan kandungan air, antara lain :
1. Panas ditambahkan dengan cara kontak langsung dengan udara yang dipanaskan pada tekanan atmosferik, dan uap air yang terbentuk diambil oleh udara.
2. Pada pengeringan vakum, proses evaporasi air terjadi lebih cepat pada tekanan rendah dan panas ditambahkan secara tidak langsung yang dikontakkan dengan dinding logam atau dengan radiasi (temperatur rendah dapat digunakan dalam keadaan vakum untuk beberapa material yang mungkin mengalami dekomposisi pada temperatur yang lebih tinggi).
3. Pada freeze drying, air tersublimasi dari material yang beku.
Untuk pengeringan padatan dengan menggunakan gas sebagai pengeringnya, terdapat empat kondisi yang terjadi pada proses pengeringan, antara lain :
1. Statik, dimana tidak terjadi pergerakan dari padatan yang dikeringkan. Padatan saling menumpuk satu sama lain untuk dikeringkan. Contohnya, pengeringan padatan pada tray dryer (Gambar 2.3.a).
2. Bergerak/Dinamis, pada kondisi ini material padatan saling berpisah dan dikeringkan. Pergerakan padatan ditentukan oleh pengadukan secara mekanik
atau gaya gravitasi. Contohnya, pengeringan padatan pada rotary dryer (Gambar 2.3.b).
3. Fluidisasi, kondisi ini terjadi dimana partikel padatan dikenakan gaya akibat pergerakan gas yang melewati antarpadatan dengan kecepatan tertentu. Contohnya, pengeringan pada fluidized bed dryer (Gambar 2.3.c).
4. Dilute, kondisi di mana partikel-partikel padatan dipisahkan begitu jauh sehingga mereka tidak mempengaruhi satu sama lain. Secara khusus, fase padatan tersebar sepenuhnya dalam gas yang kepadatan suspensinya adalah dari fase gas saja (Gambar 2.3.d).
(a) (b) (c) (d)
Gambar 2.3 Kondisi Proses Pengeringan, (a) Statik, (b) Dinamis, (c) Fluidisasi, (d) Dilute Pada pengeringan padatan oleh gas, terdapat beberapa metode kontak antara gas dan tumpukan padatan, antara lain :
1. Parallel flow (aliran paralel). Arah aliran gas paralel terhadap permukaan fase padat dan biasanya padatan dalam kondisi statis.
2. Perpendicular flow (aliran tegak lurus). Aliran gas bergerak secara tegak lurus mengenai permukaan padatan yang berada dalam kondisi statis.
3. Through circulation. Gas pengering mengalir melalui celah di antara padatan dan gas bersirkulasi di antara partikel padatan. Aliran jenis ini dapat digunakan pada kondisi statik, bergerak, fluidisasi ataupun dilute.
Selain itu, aliran gas pengering juga dibagi menjadi :
1. Co-current gas flow. Fasa gas dan partikel padat berada pada arah yang sama (searah).
2. Counter-current gas flow. Arah dari fasa gas berlawanan dengan arah pergerakan padatan.
3. Cross-flow of gas. Arah aliran gas berada pada sudut kanan pergerakan padatan dan menghadap tumpukan padatan.
(a) (b) (c)
(d) (e)
Gambar 2.4 Jenis Aliran Gas Pengering, (a) Parallel flow, (b) Perpendicular flow, (c) Through circulation, (d) Cocurrent flow, (e) Cross-flow
Karena pada operasi kontak antara gas dan padatan terjadi perpindahan panas dan perpindahan massa pada permukaan padatan, efisiensi maksimum dari proses dapat diharapkan dengan eksposur maksimum permukaan padatan terhadap fasa gas, bersamaan dengan pencampuran menyeluruh gas dan padatan. Dalam setiap susunan partikel, gas berada di antara rongga padatan dan berkontakkan dengan seluruh permukaan padatan kecuali pada titik kontak partikel. Ketika tumpukan padatan dalam kondisi statis atau bergerak, gas di dalam rongga padatan terpisah dari bagian utama fase gas. Beberapa transfer energi dan massa dapat terjadi dengan difusi, tetapi biasanya tidak signifikan. (Perry, 1178)
2.4 Peralatan Pengeringan
Ada beberapa macam tipe pengering yang umumnya digunakan untuk proses pengeringan skala industri. Untuk memilih tipe alat pengering yang digunakan, ada beberapa hal yang harus diperhatikan, yaitu :
1. Sifat fisik dan sifat kimia material yang akan dikeringkan seperti sifat saat basah dan kering, kekorosifan, sifat racun, kemudahan terbakar, dan ukuran partikel.
2. Karakteristik pengeringan material seperti kandungan air, kadar air sebelum dan sesudah pengeringan, kadar air maksimum, temperatur yang diizinkan, dan waktu pengeringan yang dibutuhkan.
3. Aliran material, yaitu banyaknya material yang dikeringkan tiap jam, batch atau kontinyu pada sebelum dan sesudah proses pengeringan.
4. Kualitas produk yang diinginkan seperti penyusutan, kontaminasi, dekomposisi, overdrying, temperatur dan bulk density.
5. Permasalahan recovery seperti debu dan solvent.
6. Fasilitas yang ada untuk instalasi seperti ruang, keadaan udara, bahan bakar, listrik, sumber umpan, gas buangan, dan peraturan terkait (kebisingan, getaran, jumlah debu, dan panas yang hilang.
Berdasarkan operasinya, pengering ada yang bekerja secara batch atau kontinyu dan menggunakan pengaduk atau tidak. Operasi dalam keadaan vakum dilakukan untuk menurunkan temperatur pengering. Klasifikasi pengering berdasarkan kontak antara media pengering dengan umpan adalah sebagai berikut: 1. Direct dryers (adiabatik) adalah pengering yang langsug mengontakkan media
pengering dengan umpannya.
2. Indirect dryers (non adiabatik) dimana pengering menggunakan media pengontak lain.
3. Direct-indirect dryers adalah gabungan keduanya.
Beberapa macam alat pengering yang umum digunakan dalam industri adalah sebagai berikut :
a. Tray Dryers
Tray dryers merupakan jenis alat pengering yang biasanya digunakan untuk pengeringan kapasitas kecil. Pengering ini dapat mengeringkan hampir semua tipe bahan, tetapi biaya produksi akan besar karena dibutuhkan pekerja untuk memasukkan dan mengeluarkan bahan yang dikeringkan pada tray dryers sehingga umumnya digunakan pada produk yang nilai jualnya tinggi seperti farmasi. Pengeringan dengan mensirkulasikan udara melalui layer berlangsung sangat lambat. Berikut adalah contoh tray dryers yang ditunjukkan pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Alat Pengering Jenis Tray Dryers b. Conveyor Dryers
Bahan yang akan dikeringkan disimpan dalam suatu belt conveyor yang bergerak secara kontinyu melalui suatu tunel dan dialirkan udara panas pada permukaannya. Aliran udara tersebut dapat mengalir secara co-current, counter current, atau kombinasi keduanya. Sebagian besar industri makanan menggunakan alat pengering tipe ini.
Beberapa tipe pengering ini juga mengalirkan udara secara tegak lurus dengan arah aliran bahan yang akan dikeringkan. Udara panas masuk melalui conveyor, baik ke arah atas ataupun bawah. Pengering ini dilengkapi juga dengan kipas dan coil pemanas. Contoh pengering tipe conveyor dryer dapat dilihat pada gambar 2.6.
Gambar 2.6. Alat Pengering Tipe Conveyor Dryers c. Tower Dryers
Pada pengering tipe ini, cairan atau slurry disemprotkan ke dalam aliran udara pemanas dalam bentuk tetesan. Air terevaporasi dari tetesan-tetesan tersebut dan meninggalkan padatan kering yang terpisah dari aliran udara pemanas. Aliran udara tersebut dapat mengalir co-current, counter current atau kombinasi
keduanya. Tetesan-tetesan tersebut terbentuk akibat melewati suatu nosel atau rotating spray disk yang berkecepatan tinggi. Hal yang perlu diperhatikan adalah cairan akan disemprotkan tidak boleh membentuk padatan sebelum disemprotkan. Produk kering dikumpulkan di bagian bawah menara. Gas buangan biasanya dilewatkan terlebih dahulu ke separator siklon untuk memisahkan pengotor.
Contoh alat pengering tower dryers dapat dilihat pada gambar 2.7. produk yang dihasilkan biasanya ringan dan berpori. Salah satu contohnya adalah produksi susu bubuk dari susu cair.
Gambar 2.7. Alat Pengering Jenis Tower Dryers d. Rotary Dryers
Pengering jenis ini merupakan suatu silinder horizontal berbentuk drum. Umpan material basah masuk pada salah satu ujung silinder dan produk kering keluar dari ujung lainnya. Saat drum berputar, flight di dalam drum mengangkat padatan dan dijatuhkan kembali menurut gaya gravitasi.
Contoh adiabatic counter current air-heated rotary dryer dapat dilihat pada gambar 2.8. Udara pemanas dialirkan ke dalam drum oleh kipas yang terlebih dahulu melewatkan udara ke alat pemanas dan menjaga agar sistem tetap vakum. Pengering tipe ini umumnya digunakan untuk mengeringkan garam, gula dan berbagai macam material berbentuk granula dan kristal yang harus tetap bersih dan tidak dapat dikontakkan langsung dengan udara yang sangat panas. Produk samping yang sangat mungkin dihasilkan adalah debu.
Gambar 2.8. Adiabatic Countercurrent Air-Heated Rotary Dryer
2.5 Pengeringan Kontinyu dengan Menggunakan Rotary Dryer
Pengeringan dengan menggunakan rotary dryer merupakan pengeringan yang terjadi secara konvektif. Pengeringan konvektif dilakukan dengan mengkontakkan aliran proses bersama aliran gas hangat atau aliran gas panas. Panas diperlukan untuk penguapan kandungan air disediakan oleh pendinginan aliran gas, dan aliran gas ini juga digunakan sebagai gas pembawa kandungan air yang terevaporasi.
2.5.1 Pengeringan Kontinyu
Operasi pengeringan secara kontinyu merupakan operasi yang menawarkan keuntungan dimana peralatan yang diperlukan relatif kecil bila dibandingkan dengan jumlah produk keluarannya. Operasi ini terintegrasi dengan proses pembuatan bahan kimia yang terus menerus tanpa adanya tempat penyimpanan sementara. Produk yang dihasilkan mempunyai kandungan moisture yang lebih seragam dan biaya pengeringan untuk setiap unit produk relatif kecil.
Material yang akan dikeringkan berupa padatan dipindahkan melalui sebuah alat pengering dan kontak dengan aliran gas. Gas dan padatan dapat mengalir secara paralel atau berlawanan arah, atau gas dapat mengalir melalui celah-celah padatan. Jika tidak ada panas yang dipasok atau hilang ke lingkungan, operasi terjadi secara adiabatik dan gas akan kehilangan panas sensibel kemudian mengalami pendinginan menjadi kandungan air yang terevaporasi, dan menyerap
panas laten penguapan. Dengan memasok panas pada pengering, gas dapat dipertahankan pada suhu yang konstan.
Pada operasi counter current adiabatik, gas paling panas berkontakkan dengan padatan yang paling kering dan padatan pada bagian keluaran dipanaskan hingga mendekati temperatur gas masuk. Operasi dengan cara ini merupakan pengeringan yang paling cepat mengingat kandungan air terikat pada material sulit untuk dihilangkan dan dapat dihilangkan lebih cepat pada temperatur tinggi. Di sisi lain, padatan kering dapat mengalami kerusakan bila dipanaskan hingga suhu tinggi apabila menggunakan cara ini. Di samping itu, padatan kering panas keluaran dari alat pengering akan membawa panas sensible yang cukup besar sehingga menurunkan efisiensi termal dari operasi pengeringan tersebut.
Pada operasi paralel adiabatik, padatan basah dikontakkan dengan gas paling panas. Selama terdapat kandungan air tak terikat pada permukaan, padatan akan dipanaskan hanya sampai temperatur bola basah dari gas. Dan untuk alasan tersebut, padatan yang peka terhadap panas pun dapat dikeringkan dengan menggunakan gas panas secara paralel. Pada keluaran alat pengering, gas akan didinginkan dan tidak akan menghasilkan kerusakan pada padatan kering. Aliran secara paralel juga memungkinkan kontrol yang lebih besar dari kadar air pada keluaran ketika padatan tidak benar-benar kering melalui banyaknya gas yang melewati pengering juga temperatur dan kelembaban pada bagian keluaran. Aliran secara paralel juga digunakan untuk menghindari terjadinya pengerasan permukaan material dan masalah lainnya yang berhubungan dengan pengeringan secara batch.
2.5.2 Rotary Dryer
Pengering jenis putar atau rotary dryer terdiri dari silinder, diputar pada bantalan yang cocok dan biasanya sedikit miring terhadap horizontal. Panjang dari silinder bisa mencapai 4 atau lebih dari 10 kali diameternya. Jenis pengering ini cocok untuk mengeringkan material berbentuk granular yang dapat mengalir bebas dan jatuh tanpa khawatir mengalami kerusakan bentuk. Padatan yang dikeringkan tidak boleh material yang lengket atau bergetah karena dapat menempel pada sisi pengering.
Umpan padatan dimasukkan ke salah satu ujung silinder, bergerak perlahan melewati alat pengering dan menjadi produk akhir di ujung lainnya. Di dalam pengering sirip pada dinding silinder akan mengangkat padatan dan menjatuhkan padatan dalam gerakan yang melewati udara, sehingga pengeringan padatan terjadi secara menyeluruh. Pengangkatan padatan dengan sirip ini juga membantu padatan untuk bergerak maju hingga ujung silinder. Gas yang mengalir melalui silinder dapat menghambat atau meningkatkan laju alir padatan tergantung pada arah gas yaitu counter current atau co-current.
Alat pengering rotary dryers dapat menggunakan gas buang panas alih-alih udara. Biasanya sebuah exhaust fan digunakan untuk menarik/menghisap gas melewati pengering, walaupun tersedia kontrol aliran gas yang lebih lengkap pada alat ini. Selain itu, pengumpul debu, cyclone biasanya dipasang diantara fan dan saluran keluar gas. Sebuah blower juga dapat digunakan pada saluran masuk gas untuk mempertahankan tekanan di dalam pengering mendekati tekanan atmosferik.
Rotary dryers diklasifikasikan sebagai direct, direct-indirect, indirect dan special types. Klasifikasi ini ditentukan berdasarkan metode perpindahan panasnya yaitu “direct” ketika panas ditambahkan atau dihilangkan dari padatan dengan pertukaran langsung antara gas dan padatan. Sedangkan “indirect” ketika media pengering dan material padatan tidak berkontakkan langsung dimana perpindahan panasnya melalui dinding logam atau tube. Klasifikasi rotary dryers berdasarkan metode perpindahan panasnya antara lain :
1. Direct heat, counter current flow. Rotary dryer dengan metode ini digunakan untuk material yang dapat dipanaskan sampai suhu tinggi seperti mineral, pasir, dan lain-lain.
2. Direct heat, co-current flow. Metode ini digunakan untuk material yang rentan terhadap suhu tinggi. Operasi pengeringan ini dapat mengontakkan gas secara langsung dengan material padatan tanpa khawatir terkontaminasi dan tidak perlu dipanaskan sampai suhu tinggi.
3. Indirect heat, counter current flow. Metode ini digunakan untuk material yang dapat dipanaskan sampai suhu tinggi namun tidak boleh berkontakkan langsung dengan gas pengering.
4. Direct-indirect. Pengering ini lebih ekonomis untuk dioperasikan bila dibandingkan dengan pengering direct. Dapat digunakan untuk padatan yang bisa dikeringkan pada suhu tinggi terutama ketika harga bahan bakar tinggi dan persen moisture yang harus dihilangkan cukup tinggi.
Gambar 2.9. Klasifikasi Rotary Dryer Berdasarkan Metode Perpindahan Panas Sedangkan untuk rotary dryers dengan special types dapat dibagi menjadi : a. Direct rotary dryer (cooler)
b. Direct rotary kiln
c. Indirect steam-tube dryer d. Indirect rotary calciner e. Direct Roto-Louvre dryer Direct-Heat Rotary Dryer
Rotary dryer dengan jenis direct-heat rotary dryer merupakan salah satu jenis pengering yang sering digunakan untuk operasi pengeringan pada material berbentuk butiran atau granular. Aliran udara yang digunakan biasanya aliran counter current atau co-current. Pada bagian dalam silinder pengering ini terdapat sirip-sirip/flights untuk mengangkat dan menaburkan material padatan melewati aliran gas selama berada di dalam silinder. Hal ini dilakukan untuk memperluas permukaan dan pengeringan terjadi secara menyeluruh. Terdapat berbagai macam
flights yang biasa digunakan pada rotary dryer yang ditunjukkan pada gambar 2.10.
Gambar 2.10. Sirip-Sirip/Flights pada Rotary Dryer
Pengeringan langsung pada direct-heat rotary dryer dapat dinyatakan sebagai sebuah mekanisme perpindahan panas pad persamaan berikut :
𝑄𝑡= 𝑈𝑎 𝑉(∆𝑡)𝑚
dimana,
Qt = panas total yang dipindahkan (J/s)
Ua = koefisien perpindahan panas volumetrik (J/s.m3.K)
V = volume pengering (m2)
(Δt)m = perbedaan suhu rata-rata sebenarnya antara gas panas dan material
Hold Up pada Rotary Dryers
Waktu retensi atau waktu tinggal material padatan di dalam pengering harus sama dengan waktu pengeringan yang dibutuhkan jika padatan keluar dalam moisture yang diharapkan. Harus diakui bahwa waktu retensi untuk setiap partikel bisa saja berbeda dari rata-rata. Hold up (∅𝐷) dari padatan merupakan fraksi
volume pengering yang ditempati oleh padatan, dan rata-rata waktu retensi (𝜃) dapat dihitung dengan membagi hold up dengan laju alir umpan volumetrik,
𝜃 = ∅𝐷𝑍𝜋𝑇𝐷 2/4 𝑆𝑠 𝜌𝑠 (𝜋𝑇𝐷2 4 ) = 𝑍∅𝐷𝜌𝑠 𝑆𝑠 dimana,
Ss/ρs = laju alir umpan volumetrik / luas penampang pengering
Ss = kecepatan massa padatan kering, massa/(luas)(waktu)
ρs = massa jenis padatan, massa padatan kering/volume
Z = panjang alat pengering TD = diameter alat pengering
Walaupun pengaruh karakter dari padatan cukup besar, Friedman dan Marshall menemukan bahwa hold up dari sejumlah besar padatan pada suatu kondisi dapat dinyatakan secara sederhana sebagai,
∅𝐷= ∅𝐷0± 𝐾𝐺 dimana,
∅𝐷0 = hold up tanpa aliran gas
± KG = faktor koreksi untuk pengaruh laju alir gas, G, massa/(luas)(waktu) + untuk counter current, - untuk co-current
Hold up pada kondisi tidak ada aliran gas bergantung pada batas tertentu desain flight dan sifat padatan, yaitu :
∅𝐷0= 0.3344𝑆𝑠 𝜌𝑠𝑠𝑁0.9𝑇𝐷
dimana,
s = slope (kemiringan) alat pengering, m/m N = kecepatan putaran, r/s
TD = diameter alat pengering, m
Konstanta K tergantung pada sifat padatan dan untuk perkiraan secara kasar dapat dinyatakan sebagai berikut :
𝐾 = 0.6085
𝜌𝑠𝑑𝑝1/2 dimana,
dp = diameter rata-rata partikel
2.6 Dasar-Dasar Perhitungan dalam Direct-Heat Drying 2.6.1 Tolak Ukur Kadar Air Dalam Bahan Padat
a. Basis basah, menyatakan jumlah kandungan air padatan dalam persen (%) berat padatan basah.
Kadar air basis basah = 𝓍
𝓍 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐻2𝑂
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑝𝑎𝑑𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑠𝑎
= 𝑚𝐻2𝑂
𝑚𝐻2𝑂 + 𝑚. 𝑝𝑎𝑑𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔× 100%
b. Basis kering, menyatakan jumlah kandungan air padatan dalam kg H2O/kg padatan kering.
Kadar air basis kering = 𝒳
𝒳 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐻2𝑂
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑝𝑎𝑑𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 =
𝑘𝑔. 𝐻2𝑂 𝑘𝑔. 𝑝𝑎𝑑𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 Konversi :
Prinsip Padatan basah = Padatan kering + H2O
Massa total = Massa padatan kering + Massa H2O
𝓍 = 𝒳
𝒳 + 1
𝒳 = 𝓍
1 − 𝓍
2.6.2 Sifat Psikrometrik Udara
Pada proses pengeringan prill amonium nitrat, media yang digunakan sebagai pengering adalah udara yang memiliki sifat psikrometrik. Sifat psikrometrik adalah sifat fisik udara yang mengandung uap air.
a. Kelembaban Mutlak (Absolute Humidity) Y = air yang terkandung dalam udara Y = 𝑘𝑔 .𝐻2𝑂 𝑘𝑔 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 = 18 𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂 29 𝑚𝑜𝑙 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 = 18 29 𝑃𝐻2𝑂 𝑃𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔
b. Kelembaban Relatif (Relative Humidity)
RH = 𝑃𝐻2𝑂
𝑃𝐻2𝑂,𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑 × 100%
c. Persen Kelembaban (Precentage of Humidity)
Yp =𝑌 𝑌
𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑 × 100% d. Panas Lembab (Humid Heat)
CH = 𝐶𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 + 𝐶𝐻2𝑂. 𝑌 = 1,005 + 1,88𝑌 (𝑘𝑔.𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 𝐶𝑘𝐽 0 ) e. Entalpi Udara Lembab (Enthalpy of Humid Air)
H = 𝐶𝑠. ∆𝑇 + 𝜆. 𝑌 = 1,005 + 1,88𝑌 ∆𝑇 + 𝜆𝑜𝑌 (𝑘𝑔.𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 𝑘𝐽 )
Dimana :
∆𝑇 = 𝑇 − 𝑇𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑠𝑖
𝜆𝑜= 2502 kJ/kg
f. Volum Lembab (Humid Volume)
𝑉𝐻 =
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑜_𝑎𝑙
𝑘𝑔 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 =
𝑚3
𝑘𝑔. 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔
Humidity Chart (Psychrometric Chart)
Dalam operasi pengeringan, air merupakan cairan yang teruapkan sedangkan udara biasanya digunakan sebagai pembawa uap air tersebut. Untuk operasi pengeringan, Humidity Chart atau Psychrometric Chart sangat berguna untuk menentukan sifat-sifat psikrometrik udara pengering.
Psychrometric Chart yang digunakan biasanya merupakan sistem udara-air dan dapat digunakan apabila terdapat kandungan air bebas yang terevaporasi. Berikut ini merupakan contoh Psychrometric Chart pada tekanan atmosferik.
Udara (G) y1 Udara (G) y2 Padatan (S) x1 Padatan (S) x2
Gambar 2.11 Psychrometric Chart
2.6.3 Neraca Massa dan Neraca Panas a. Neraca Massa
Neraca Massa Komponen :
S𝑥1+ G𝑦1 = Gy2+ S𝑥2
S 𝑥1− 𝑥2 = G 𝑦2− 𝑦1 Dimana :
S = Laju alir padatan, kg/jam G= Laju alir udara, kg/jam
x1= kandungan air dalam padatan masukan, kg.H2O/kg udara kering
x2= kandungan air dalam padatan keluaran, kg.H2O/kg udara kering
y1= kandungan air dalam udara masukan, kg.H2O/kg udara kering
Rotary Dryer
y2= kandungan air dalam udara keluaran, kg.H2O/kg udara kering b. Neraca Panas
Perpindahan panas di dalam pengering dari udara ke aliran proses merupakan net heat (panas bersih). Panas juga berpindah dari udara ke lingkungan (panas terbuang). Entalpi dari aliran proses berubah akibat adanya perpindahan panas ini. Entalpi ini berubah dalam tiga bagian, yaitu penguapan air dan pemanasan uap air, pemanasan padatan, dan pemanasan air yang tersisa di dalam padatan. Secara kuantitatif, dinyatakan sebagai :
𝑄1= 𝐸𝑣𝑎𝑝(2500 + 1,9. 𝑇𝐴𝑜𝑢𝑡− 4,2. 𝑇𝑓) 𝑄2= 𝑆. 𝑐𝑠 𝑇𝐴𝑜𝑢𝑡− 𝑐 − 𝑇𝑓 𝑄3= 𝑊𝑜𝑢𝑡. 4,2(𝑇𝐴𝑜𝑢𝑡− 𝑐 − 𝑇𝑓)
Dimana :
Q1 = panas air terevaporasi, kJ/h
Q2 = panas padatan kering, kJ/h
Q3 = panas air tersisa, kJ/h
Evap = beban penguapan air, kg/h TAout = temperatur gas keluar, 0C
Tf = temperatur umpan, 0C
S = laju padatan kering, kg/h
Wout = laju air keluar pengering, kg/h
Cs = panas spesifik padatan, J/kg.K
