PIPA DAN ARAH ALIRAN FLUIDA PENDINGIN

(1)

PENGARUH DESIGN PIPA DAN ARAH ALIRAN FLUIDA PENDINGIN PADA KONDENSOR SHELL AND TUBE TERHADAP KUANTITAS BIO- OIL HASIL PIROLISIS CEPAT RDF LIMBAH AREN MENGGUNAKAN

REAKTOR HORIZONTAL MODEL CONTINUOUS

SKRIPSI

Oleh:

HEFIN HIDAYAH TULLOH K2516031

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA DESEMBER 2020

commit to user

(2)

i

SKRIPSI

Oleh:

commit to user

(3)

ii

commit to user

(4)

iii

Oleh:

Skripsi

Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat mendapatkan gelar Sarjana Pendidikan Teknik Mesin, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan

commit to user

(5)

iv commit to user

(6)

v

commit to user

(7)

v ABSTRAK

Hefin Hidayah Tulloh K2516031: PENGARUH DESIGN PIPA DAN ARAH ALIRAN FLUIDA PENDINGIN PADA KONDENSOR SHELL AND TUBE TERHADAP KUANTITAS BIO-OIL HASIL PIROLISIS CEPAT RDF LIMBAH AREN MENGGUNAKAN REAKTOR HORIZONTAL MODEL CONTINUOUS Surakarta: Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas Maret Surakarta, Oktober 2020.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui (1) pengaruh penggunaan variasi desain tiga cabang dan dua cabang pipa kondensor shell and tube terhadap kuantitas hasil bio-oil; (2) pengaruh penggunaan variasi arah aliran fluida media pendingin searah dan berlawanan arah terhadap kuantitas hasil bio-oil; (3) penggunaan interaksi variasi desain tiga cabang pipa dan variasi arah aliran fluida media pendingin berlawanan arah terhadap hasil bio-oil.

Penelitian ini merupakan penelitian kuantitatif, deskriptif, komparatif, dengan metode eksperimen. Penelitian ini dilakukan di laboratorium Program Studi Pendidikan Teknik Mesin Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas Maret dan pengujian destilasi di workshop Yandi Teknik. Penelitian ini menggunakan desain penelitian kuantitatif dengan metode studi eksperimental.

Pengujian dilakukan dengan durasi waktu 25 menit pada masing-masing pengujian variasi penelitian. Bio-oil yang diperoleh melalui proses pirolisis cepat pada reaktor model continuous, kemudian dilakukan pemurnian dengan metode destilasi.

Hasil pengujian menggunakan variasi desain tiga cabang pipa menghasilkan kuantitas terbanyak dengan hasil kuantitas bio-oil sebanyak 202,5 mL pada arah aliran fluida pendingin berlawanan arah dengan laju perpindahan panas sebesar 1.632,49 W, dan 185,5 mL pada arah aliran fluida pendingin searah dengan laju perpindahan panas 1.536,66 W. Hasil pengujian variasi desain pipa menunjukkan bahwa variasi desain tiga cabang pipa paling efektif dalam penggunaannya. Hasil pengujian variasi arah aliran fluida pendingin berlawanan arah menunjukkan hasil yang paling optimal dengan menghasilkan 202,5 mL pada variasi tiga cabang pipa dengan laju perpindahan panas sebesar 17.057,49 W, dan 179,5 mL pada variasi dua cabang pipa kondensor dengan laju perpindahan panas 14.973 W. Hasil pengujian arah aliran fluida pendingin menunjukkan variasi arah aliran fluida pendingin berlawanan arah lebih optimal dalam penggunaannya. Pada pengujian interaksi antar variabel, penggunaan variasi desain tiga cabang pipa dengan variasi arah aliran fluida pendingin berlawanan arah paling optimal dalam menghasilkan kuantitas bio-oil, dengan hasil kuantitas bio-oil sebanyak 202,5 mL.

Kata kunci: Pirolisis, kondensor shell and tube, bio-oil limbah aren, aliran fluida pendingin searah dan berlawanan arah.

commit to user

(8)

vi ABSTRACT

Hefin Hidayah Tulloh K2516031: THE INFLUENCE OF PIPE DESIGN AND COOLING FLUID FLOW DIRECTION IN SHELL AND TUBE CONDENSORS ON BIO-OIL QUANTITY FAST PIROLYSIS RESULTS OF PALM WASTE RDF USING HORIZONTAL CONTINUOUS REACTOR, Surakarta : Faculty of Teacher Training and Education Surakarta, October 2020.

This study to determine (1) the effect of using three-branch and two-branch design variations of shell and tube condenser pipes on the quantity of bio-oil; (2) the effect of using variations in the direction of the cooling media fluid flow direction and opposite direction on the quantity of bio-oil; (3) the use of the interaction of three pipe branch design variations and variations in the direction of the cooling medium fluid flow in the opposite direction to the bio-oil.

This research is a quantitative, descriptive, comparative, experimental method. This research was conducted in the laboratory of the Program Study Mechanical Engineering Education, the Faculty of Teacher Training and Education, Sebelas Maret University and distillation testing in Yandi Teknik workshop. This study used a quantitative research design with experimental study methods. The test was carried out with a duration of 25 minutes in each of the research variations.

Bio-oil is obtained through a fast pyrolysis process in a continuous model reactor, then purified by the distillation method.

The test results using a variation of the three-branch pipe design produced the highest quantity with the resulting quantity of bio-oil as much as 202.5 mL in the opposite direction of cooling fluid flow with a heat transfer rate 1.632,49 W, and 185.5 mL in the direction of unidirectional cooling fluid flow with a heat transfer rate 1.536,66 W. The results of testing variations in pipe designs show that the three branch pipe design variations are the most effective in their use. The results of testing variations in the direction of flow of cooling fluid in the opposite direction show the most optimal results by producing 202.5 mL in the variation of three pipe branches with a heat transfer rate 17.057,49 W, and 179.5 mL in the variation of two condenser pipe branches with a heat transfer rate 14.973 W. The results of testing the flow direction of the cooling fluid show that the variation in the direction of the cooling fluid flow in the opposite direction is more optimal in its use. In testing the interaction between variables, the use of three-branch design variations of pipe with variations in the direction of flow of cooling fluid in the opposite direction is the most effective in producing the quantity of bio-oil, with the resulting quantity of bio-oil as much as 202.5 mL.

Keywords: Pyrolysis, shell and tube condenser, palm waste bio-oil, unidirectional and opposite direction cooling fluid flow

commit to user

(9)

vii MOTTO

Jika ingin berhasil, jangan pernah bersikap layaknya orang yang ingin gagal.

Jadilah versi terbaik dari dirimu.

commit to user

(10)

viii

PERSEMBAHAN

Puji syukur senantiasa penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, atas izin dan kuasa-Nya, sehingga penulis dapat mempersembahkan skripsi ini untuk:

Ibu dan Alm. Bapak Tercinta

“Terimakasih untuk semangat, motivasi, dan lantunan doa yang kalian panjatkan untukku dalam keadaan susah dan senang. Serta semua yang telah kalian berikan

selama ini untukku.”

Keluarga Besar

“Terimakasih atas dukungan serta lantunan doa yang kalian panjatkan untukku.”

Tim Skripsi Pirolisis

“Terimakasih atas dukungan dan kerjasamanya selama proses penyelesaian skripsi ini.”

Keluarga Besar PTM 16

“Terimakasih telah menjadi keluargaa serta sahabat yang hebat selama 4 tahun, perjuangan kita belum selesai sampai disini kawan.”

Vinandya Asti Aprilinda, S.Tr.Sos

“Terimakasih untuk bantuan, motivasi, dan lantunan doa yang engkau panjatkan untukku.”

Almamaterku

commit to user

(11)

ix

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Allah SWT karena berkat rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat meyelesaikan skripsi dengan judul

“PENGARUH DESIGN PIPA DAN ARAH ALIRAN FLUIDA PENDINGIN PADA KONDENSOR SHELL AND TUBE TERHADAP KUANTITAS BIO-OIL HASIL PIROLISIS CEPAT RDF LIMBAH AREN MENGGUNAKAN REAKTOR HORIZONTAL MODEL CONTINUOUS”.

Dalam penyelesaian skripsi ini, penulis mendapat bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak, sehingga penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Dr. Mardiyana, M.Si, selaku Dekan Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Sebelas Maret Surakarta.

2. Dr. Yuyun Estriyanto, S.T., M.T., selaku Kepala Program Studi Pendidikan Teknik Mesin, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Sebelas Maret Surakarta.

3. Drs. Ranto, M.T., selaku Dosen Pembimbing I yang selalu memberikan arahan dan bimbingan dalam penyusunan proposal skripsi ini.

4. Dr.Eng. Herman Saputro, M.Pd., M.T., selaku Dosen Pembimbing II yang selalu memberikan arahan dan bimbingan dalam penyusunan proposal skripsi ini.

5. Danar Susilo Wijayanto, ST,.M.Eng., selaku Dosen Pembimbing Akademik yang selalu memberikan arahannya selama perkuliahan

6. Seluruh teman-teman Pendidikan Teknik Mesin FKIP UNS angkatan 2016 yang selalu memberikan dukungan.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, karena keterbatasan dari diri penulis. Penulis berharap semoga skripsi ini bermanfaat bagi pembaca dan pengembangan ilmu.

Surakarta, 01 Desember 2020

Penulis commit to user

(12)

x DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PERNYATAAN ... ii

HALAMAN PENGAJUAN ... iii

HALAMAN PERSETUJUAN ... iv

HALAMAN PENGESAHAN ... v

HALAMAN ABSTRAK ... iv

HALAMAN MOTTO ... vii

HALAMAN PERSEMBAHAN ... viii

KATA PENGANTAR ... ix

DAFTAR ISI ... x

DAFTAR TABEL ... xiii

DAFTAR GAMBAR ... xiv

DAFTAR LAMPIRAN ... xvi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

A. Latar Belakang Masalah ... 1

B. Identifikasi Masalah ... 5

C. Pembatasan Masalah ... 5

D. Rumusan Masalah ... 5

E. Tujuan Penelitian ... 6

F. Manfaat Penelitian ... 6

1. Manfaat Teoritis ... 6

2. Manfaat Praktis ... 7

BAB II KAJIAN PUSTAKA, KERANGKA BERPIKIR, DAN HIPOTESIS 8

A. Kajian Pustaka ... 8

1. Limbah Aren ... 8

2. Refused Derived Fuel (RDF) ... 9

3. Pirolisis ... 11

4. Kondensor ... 14 B. Kerangka Berpikir ... 17 commit to user

(13)

xi

C. Hipotesis ... 19

BAB III METODE PENELITIAN... 20

A. Tempat dan Waktu Penelitian ... 20

1. Tempat Penelitian... 20

2. Waktu Penelitian ... 20

B. Desain Penelitian ... 20

C. Teknik Pengumpulan Data ... 21

1. Identifikasi Variabel ... 21

2. Metode Pengumpulan Data ... 22

D. Instrumen Penelitian... 23

E. Teknik Analisis Data ... 32

F. Prosedur Penelitian... 33

1. Diagram Penelitian ... 33

2. Studi Pustaka ... 34

3. Pelaksanaan Penelitian Eksperimen dan Pengumpulan Data... 34

4. Mencatat Hasil ke dalam Tabel Pengujian Analisis Data ... 36

5. Kesimpulan ... 37

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 38

A. Hasil Penelitian ... 38

1. Deskripsi Data ... 38

2. Pengaruh Variasi Desain Pipa Kondensor Tipe Shell and Tube terhadap Kuantitas Bio-oil ... 40

3. Pengaruh Variasi Arah Aliran Fluida Pendingin terhadap Kuantitas Bio-oil ... 43

B. Pembahasan ... 47

1. Pengaruh Variasi Desain Pipa Kondensor Tipe Shell and Tube terhadap Kuantitas Bio-oil ... 47

2. Pengaruh Variasi Arah Aliran fluida Pendingin terhadap Kuantitas Bio-oil ... 48

BAB V SIMPULAN, IMPLIKASI, DAN SARAN ... 50 A. Simpulan ... 50 commit to user

(14)

xii

B. Implikasi ... 51

C. Saran ... 51

DAFTAR PUSTAKA ... 52

LAMPIRAN ... 55

commit to user

(15)

xiii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Klasifikasi RDF... 10

Tabel 2.2 Parameter RDF terhadap Standar Internasional ... 10

Tabel 2.3 Macam Pirolisis ... 12

Tabel 2.4 Representatif Komposisi Kimia Cairan Pirolisis Cepat ... 13

Tabel 3.1 Desain Factorial 2x2 ... 21

Tabel 3.2 Parameter Dimensi ... 22

Tabel 4.1 Data Hasil Kuantitas Bio-oil Variasi Desain Pipa dan Arah Aliran Fluida Pendingin ... 38

Tabel 4.2 Jumlah Hasil Kuantitas Bio-oil ... 39

Tabel 4.3 Kuantitas Bio-oil pada Variasi Desain Pipa Kondensor Shell and Tube dengan Variasi Arah Aliran Fluida Pendingin Searah Datangnya Uap Panas. ... 40

Tabel 4.4 Kuantias Bio-oil pada Variasi Desain Pipa Kondensor Shell and Tube dengan Variasi Arah Aliran Fluida Pendingin Berlawanan Arah Datangnya Uap Panas ... 42

Tabel 4.5 Kuantitas Bio-oil Hasil Pengujian pada Tiga Cabang Pipa Kondensor ... 43

Tabel 4.6 Kuantitas Bio-oil Hasil Pengujian pada Dua Cabang Pipa Kondensor ... 42

commit to user

(16)

xiv

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Pohon Aren ... 8

Gambar 2.2 Bagan Aplikasi Bio-oil Pirolisis ... 14

Gambar 2.3 Desain Kondensor Shell and Tube ... 15

Gambar 2.4 Kondensor Shell and Tube ... 15

Gambar 2.5 Aliran Media Pendingin Searah ... 16

Gambar 2.6 Aliran Media Pendingin Berlawanan Arah ... 16

Gambar 2.7 Helical Coil Tube ... 17

Gambar 2.8 Kerangka Berpikir ... 19

Gambar 3.1 Bagian Alat Pirolisis ... 23

Gambar 3.2 Tiga Cabang Pipa ... 24

Gambar 3.3 Dua Cabang Pipa ... 24

Gambar 3.4 Arah Aliran Fluida Pendingin Searah ... 24

Gambar 3.5 Arah Aliran Fluida Pendingin Berlawanan Arah ... 24

Gambar 3.6 Reaktor ... 25

Gambar 3.7 Kondensor Shell and Tube ... 26

Gambar 3.8 Ukuran Pipa Kondensor Shell and Tube ... 26

Gambar 3.9 Gas Tank dan Oil Tank... 26

Gambar 3.10 Burner... 27 Gambar 3.11 Pompa Air ... 27 commit to user

(17)

xv

Gambar 3.12 Stopwatch ... 28

Gambar 3.13 Pressure Gauge ... 28

Gambar 3.14 Thermocouple ... 29

Gambar 3.15 Kabel Thermocouple ... 29

Gambar 3.16 Penampung Media Pendingin... 30

Gambar 3.17 Gelas Ukur... 30

Gambar 3.18 Neraca Digital ... 31

Gambar 3.19 Kertas TBA ... 31

Gambar 3.20 Limbah Aren Padat ... 31

Gambar 3.21 Alur Penelitian... 33

Gambar 4.1 Jumlah Hasil Kuantitas Bio-oil ... 39

Gambar 4.2 Pengaruh Variasi Desain Pipa terhadap Kuantitas Bio-oil dengan Arah aliran Fluida Pendingin Searah ... 40

Gambar 4.3 Pengaruh Variasi Desain Pipa terhadap Kuantitas Bio-oil dengan Arah Aliran Fluida Pendingin Berlawanan Arah... 42

Gambar 4.4 Pengaruh Arah Aliran Fluida Pendingin Kondensor dengan Variasi Desain Tiga Cabang Pipa... 44

Gambar 4.5 Pengaruh Variasi Arah Aliran Fluida Pendingin Kondensor dengan Variasi Desain Dua Cabang Pipa ... 46

commit to user

(18)

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1 Proses Pengujian Alat Pirolisis ... 55

Lampiran 2 Hasil Bio-oil Variasi Desain Tiga Cabang Pipa dan Variasi Aliran Fluida Media Pendingin Searah ... 56

Lampiran 3 Hasil Bio-oil Variasi Desain Tiga Cabang Pipa dan Variasi Aliran Fluida Media Pendingin Berlawanan Arah ... 57

Lampiran 4 Hasil Bio-oil Variasi Desain Dua Cabang Pipa dan Variasi Aliran Fluida Media Pendingin Searah ... 58

Lampiran 5 Hasil Bio-oil Variasi Desain Dua Cabang Pipa dan Variasi Aliran Fluida Media Pendingin Berlawanan Arah ... 59

Lampiran 6 Hasil Penelitian ... 60

Lampiran 7 Surat Permohonan Izin Penelitian ... 61

Lampiran 8 Surat Izin Menyusun Skripsi ... 62

Lampiran 9 Surat Permohonan Izin Penelitian ... 63

Lampiran 10 Surat Keterangan Uji Destilasi di Workshop Yandi Teknik ... 64

commit to user

(19)

1 BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Masalah

Bahan bakar fosil adalah salah satu sumber energi yang dibutuhkan manusia untuk melangsungkan kehidupan sehari-hari. Sumber energi fosil mengandung hidrokarbon seperti gas alam, minyak bumi, dan batubara. Bahan bakar fosil tidak dapat diperbaharui tetapi penggunaan bahan bakar fosil semakin banyak digunakan.

Menurut data BPPT pada Outlook Energi Indonesia tahun 2016, minyak bumi akan habis dalam 12 tahun, gas bumi 37 tahun, dan batubara 70 tahun. Cadangan ini bahkan akan lebih cepat habis dari tahun tersebut karena kecenderungan penggunaan energi fosil yang terus meningkat (Sugiyono et al., 2016)

Indonesia merupakan bagian dari wilayah Negara ASEAN yang mengalami peningkatan konsumsi energi setiap tahunnya. Tahun 2019 permintaan terbesar konsumsi energi final adalah transportasi (43%), industri (35%), rumah tangga (14%). Konsumsi energi final menurut jenis energi selama tahun 2017 s.d 2019 didominasi oleh BBM (bensin, minyak solar, minyak diesel, minyak tanah, minyak bakar, bio-oil, avtur, dan avgas) mencapai 36,3%, disusul listrik (24,5%), gas bumi (12,5%), batubara (7,4%), dan LPG (4,6%) (BPPT, 2019).

Tingginya peningkatan kebutuhan energi final perlu diantisipasi dengan menerapkan upaya konservasi energi agar sumber energi fosil tidak punah dimasa depan. Penggunaan sumber energi fosil perlu dikurangi karena keberadaannya yang terbatas, sumber daya energi tidak dapat diperbarui, dan menimbulkan permasalahan-permasalahan global, seperti pencemaran udara dari hasil pembakaran hingga pemanasan global akibat gas karbon dioksida (CO2) yang dihasilkan dari sisa pembakaran energi minyak bumi. Pemakaian Energi Baru Terbarukan (EBT) merupakan solusi utama dalam penyediaan energi saat ini dan masa mendatang.

Sumber energi alternatif di Indonesia sangat melimpah karena Indonesia merupakan negara yang memiliki iklim tropis dan mempunyai kekayaan alam yang beragam jenisnya. Penggunaan energi alternatif di Indonesia masih jarang commit to user

(20)

diterapkan. Data BPPT Outlook Energi Indonesia 2019 bahwa pemanfaatan energi terbarukan terhadap penyediaan energi primer hanya sebesar 6% sehingga ketergantungan terhadap energi fosil masih sangat tinggi dan energi terbarukan masih belum dapat menggantikan energi fosil seutuhnya. Negara Indonesia mendukung adanya energi terbarukan yang diatur dalam Peraturan Presiden No. 5 tahun 2006 dan dalam Peraturan Pemerintah No. 79 tahun 2014 (BPPT, 2017).

Salah satu energi terbarukan adalah biomassa. Indonesia mempunyai banyak potensi biomassa yang bisa digunakan seperti sisa penggilingan padi, limbah gula, limbah sawit, dan limbah pertanian lainnya. Biomassa merupakan sumber energi terbarukan yang berasal dari bahan organik yang didalamnya tersimpan energi. Biomassa dapat digunakan langsung sebagai sumber energi panas untuk bahan bakar dengan nilai bakar sekitar 3000 kalori (Nuriana et al., 2014). Pengolahan biomassa sebagai sumber energi telah dikembangkan dan terus meningkat dengan proses waste to energy (WTE), yaitu proses pengolahan energi dari limbah melalui pembakaran langsung (insinerasi, pirolisis, dan gasifikasi), atau dengan produksi bahan bakar dalam bentuk metan, hidrogen, dan bahan bakar sintetik lainnya (Novita & Damanhuri, 2009). Sumber energi biomassa bisa diperoleh dari bahan-bahan organik baik itu secara langsung maupun tidak langsung. Pengolahan biomassa secara langsung dapat diperoleh dari tanaman perkebunan maupun hutan yang diolah langsung menjadi biomassa. Pengolahan biomassa tidak langsung salah satunya dapat diperoleh dari limbah organik hasil industri. Sumber energi biomassa yang berasal dari limbah industri lebih tepat digunakan dari pada pengolahan langsung dari pengolahan langsung dari tumbuhan perkebunan maupun hutan yang lebih berguna untuk ekosistem. Salah satu industri yang menghasilkan limbah organik yang bisa dimanfaatkan menjadi sumber energi biomassa berada di Desa Bendo, Kecamatan Tulung, Kabupaten Klaten. Desa Bendo merupakan salah satu desa penghasil mi sohun yang bahan dasarnya terbuat dari tepung aren. Proses hasil pengolahan home industry mi sohun menghasilkan limbah padat yang mencemari lingkungan. Hampir seluruh Desa Bendo tercemar oleh limbah hasil pengolahan home industry yang dihasilkan oleh desa tersebut, baik itu udara karena bau limbah aren maupun air yang berada commit to user

(21)

di sekitar desa. Limbah aren dapat dimanfaatkan dan berpotensi digunakan untuk sumber energi alternative dengan mengolahnya kembali menjadi biomassa.

Beberapa proses pengolahan biomassa, pirolisis memiliki keunggulan yaitu, tidak memerlukan oksigen dan produk yang dihasilkan bervariasi, seperti arang, bio-oil, dan gas permanen (Rianto Wibowo, 2007). Pirolisis adalah konversi termokimia dari bahan biologis menjadi arang, bio-oil, dan gas permanen, tanpa menggunakan oksigen (O2) pada suhu tinggi (400 s.d. 500^oC), dengan waktu tinggal uap kurang dari 5 detik, dan tingkat pemanasannya 10 s.d.

200ôC (Pestaño & Jose, 2016). Pirolisis dapat dibedakan menjadi beberapa tipe menurut suhu pemanasan pada saat proses pirolisis berlangsung, berikut tipe pirolisis menurut suhu pemanasan yang digunakan, 200 s.d. 315ôC (pirolisis ringan), 300 s.d. 400ôC (pirolisis lambat), dan 400 s.d. 600ôC (pirolisis cepat).

Pirolisis cepat dapat menghasilkan bio-oil sebesar 75%, padatan 12%, dan gas permanen 13% (Shelly et al., 2016). Faktor-faktor yang mempengaruhi proses pirolisis yaitu suhu pemanas, waktu pemanasan, dan jenis biomassa yang digunakan. Proses pirolisis harus memiliki efektivitas kinerja yang maksimal agar dapat menghasilkan gas, arang, dan bio-oil dengan maksimal, untuk dijadikan sebagai energi alternative pengganti bahan bakar fosil. Bio-oil yang dihasilkan dari proses pirolisis dapat menjadi energi alternatif pengganti bahan bakar minyak fosil jika memiliki kandungan nilai kalor yang lebih tinggi. Kandungan bio-oil dipengaruhi oleh kandungan kimia yang berasal dari biomassa dan suhu yang digunakan pada proses pirolisis (Budijanto et al., 2008). Kandungan senyawa yang terdapat dalam bio-oil adalah asam, fenol, dan karbonil (Pamori et al., 2015).

Proses pirolisis dapat bekerja secara optimal dan dapat menghasilkan bio- oil maksimal, dibutuhkan proses kondensasi uap yang dapat bekerja secara efektif.

Pada proses kondensasi sangat penting dalam menghasilkan gas, arang, dan bio- oil dari uap biomassa hasil pirolisis yang mengembun oleh perpindahan panas didalam kondensor. Pengembunan uap di dalam kondensor dipengaruhi oleh kinerja kondensor dalam menyerap panas yang mengalir pada pipa kondensor.

Proses perpindahan panas terjadi akibat uap panas berkontak dengan pipa penampang yang terdapat dalam media pendingin, sehingga terjadi transfer energi commit to user

(22)

panas dari uap yang terserap media pendingin. Laju perpindahan panas pada proses kondensasi dipengaruhi oleh luas penampang perpindahan panas tiap satuan waktu. Semakin besar luas penampang perpindahan panas semakin besar pula laju perpindahan panas yang terkondensasi (Jamilatun & Nurkholis, 2016).

Desain kondensor shell and tube merupakan kondensor yang memilki ke-efektifan tinggi dalam proses kondensasi fase uap menjadi cair dan dalam perancangannya relatif murah (Jamshidi et al., 2013).

Penggunaan desain kondensor tipe shell and tube pada proses pirolisis dilakukan untuk mendapat bio-oil yang maksimal dari uap biomassa yang dihasilkan pada saat proses pirolisis berlangsung. Penelitian ini dilakukan dengan variasi diameter pipa guna mengetahui spesifikasi kondensor paling efektif digunakan pada proses pirolisis cepat agar mendapatkan hasil kondensasi secara optimal. Arah aliran media pendingin pada penelitian ini, searah dan berlawanan arah dengan datangnya fluida uap panas.

Berdasarkan uraian latar belakang di atas, maka dilakukan penelitian

“PENGARUH DESIGN PIPA DAN ARAH ALIRAN FLUIDA PENDINGIN PADA KONDENSOR SHELL AND TUBE TERHADAP KUANTITAS BIO- OIL HASIL PIROLISIS CEPAT RDF LIMBAH AREN MENGGUNAKAN REAKTOR HORIZONTAL MODEL CONTINUOUS”. Data hasil penelitian ini digunakan untuk menganalisis performansi kondensor sehingga didapatkan spesifikasi kondensor yang dapat mengkondensasi uap biomassa secara efektif.

commit to user

(23)

B. Identifikasi Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah di atas, maka teridentifikasi masalah yang muncul yaitu :

1. Kebutuhan energi fosil semakin meningkat dikarenakan laju pertumbuhan penduduk yang semakin meningkat.

2. Cadangan energi fosil bumi semakin menipis dan akan lebih cepat habis dari waktu yang diperkirakan, karena pertumbuhan penduduk yang semakin meningkat.

3. Limbah aren di Desa Bendo, Kecamatan Tulung, Kabupaten Klaten sangat mencemari lingkungan dan dapat dimanfaatkan sebagai alternatif dengan mengubahnya menjadi biomassa.

4. Pada proses pirolisis perlu dilakukan optimalisasi fungsi pipa kondensor agar mendapatkan produk bio-oil yang maksimal melalui variasi tipe pipa kondensor pada kondensor tipe shell and tube.

C. Pembatasan Masalah

Penelitian ini dibatasi berdasarkan identifikasi masalah yang didapat agar penelitian tidak menyimpang dari permasalahan. Batasan masalah pada penelitian ini sebagai berikut:

1. Proses pirolisis cepat dengan suhu pemanas berkisar 400 ^oC s.d. 450 ^oC.

2. Variasi desain dua cabang dan tiga cabang pipa kondensor tipe shell and tube.

3. Penggunaan variasi ukuran diameter pipa 26 mm dan 22 mm.

4. Arah aliran media pendingin pada kondensor searah dan berlawanan dengan datangnya fluida uap panas.

5. Biomassa limbah aren padat.

D. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah, identifikasi masalah dan pembatasan masalah yang disusun di atas, maka rumusan masalah pada penelitian ini adalah:

1. Bagaimana pengaruh variasi desain pipa kondensor shell and tube terhadap kuantitas bio-oil hasil proses pirolisis RDF limbah aren menggunakan reaktor horizontal model continuous? commit to user

(24)

2. Bagaimana pengaruh arah aliran media pendingin pada kondensor shell and tube terhadap kuantitas bio-oil hasil proses pirolisis RDF limbah aren menggunakan reaktor horizontal model continuous?

3. Bagaimana pengaruh interaksi antara variasi desain pipa kondensor shell and tube dan arah aliran fluida pendingin terhadap kuantitas bio-oil hasil proses pirolisis RDF limbah aren menggunakan reaktor horizontal model continuous?

E. Tujuan Penelitian

Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini sebagai berikut:

1. Untuk mengetahui pengaruh variasi desain pipa kondensor shell and tube terhadap kuantitas bio-oil hasil proses pirolisis RDF limbah aren menggunakan reaktor horizontal model continuous.

2. Untuk mengetahui pengaruh arah aliran media pendingin kondensor shell and tube terhadap kuantitas bio-oil hasil proses pirolisis RDF limbah aren menggunakan reaktor horizontal model continuous.

3. Untuk mengetahui interaksi paling optimal antara variasi desain pipa kondensor shell and tube dan arah aliran fluida pendingin terhadap kuantitas bio-oil hasil proses pirolisis RDF limbah aren menggunakan reaktor horizontal model continuous

F. Manfaat Penelitian

Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat untuk perkembangan ilmu bagi peneliti dan khalayak umum. Manfaat teoritis dan praktis yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah:

1. Manfaat Teoritis

a. Penelitian ini diharapkan dapat menambah ilmu pengetahuan dalam bidang pirolisis, khususnya performansi pipa kondensor pada proses pirolisis.

b. Penelitian ini dapat digunakan sebagai bahan pertimbangan dan perbandingan penelitian selanjutnya.

c. Penelitian ini dapat digunakan sebagai bahan pustaka di lingkungan Universitas Sebelas Maret khususnya Program Studi Pendidikan Teknik

Mesin. commit to user

(25)

2. Manfaat praktis

Sebagai sumber informasi dan bahan masukan mengenai performa kondensor shell and tube dengan variasi diameter pipa dan variasi arah aliran fluida pendingin terhadap kuantitas bio-oil yang dihasilkan pada proses pirolisis.

commit to user

(26)

8 BAB II

KAJIAN PUSTAKA, KERANGKA BERFIKIR, DAN HIPOTESIS

A. Kajian Pustaka 1. Limbah Aren

Pohon aren merupakan jenis tanaman palma yang hampir semua hasil produksi tanaman ini dapat dimanfaatkan dan memiliki nilai ekonomi, baik hasil produksi dari buah, pati atau tepung aren (Lempang, 2012). Di Indonesia terdapat total 60.482 ha lahan yang sudah ditanami tanaman aren, data ini dikemukakan oleh Direktorat Jenderal Perkebunan pada tahun 2017 (Ruslan et al., 2018).

Gambar 2.1 Pohon Aren

Tanaman aren dapat dilihat pada Gambar 2.1. Tanaman aren di Indonesia memiliki beragam nama, tergantung dimana tanaman aren ini tumbuh, mulai dari Hano yang berasal dari Bali, Seho dari Manado, Segeru dari Maluku, dan lain-lain.

Tanaman aren di benua Eropa juga memiliki beragam nama tergantung dimana tanaman ini tumbuh, seperti Sugarpalm yang berasal dari dataran Inggris, Suikerpalm dari Belanda, Zucerpalme dari Jerman, dan lain sebagainya (Ramadani et al., 2008). Tanaman aren memiliki ukuran relatif besar dan memiliki tinggi yang bisa mencapai 12 meter dan memiliki diameter hingga mencapai 60 cm. (Ramadani et al., 2008). Tanaman ini dapat tumbuh hingga mencapai diameter batang 65 cm dan tingginya bisa mencapai 20 meter serta memiliki tajuk daun yang menjulang di atas batangnya.

Pemanfaatan batang dari pohon aren di Indonesia sering dimanfaatkan dalam proses pembuatan bahan makanan, akan tetapi banyak sektor home industry commit to user

(27)

masih belum bisa mengolah limbah setelah proses pengolahan. Proses produksi pengolahan batang dari pohon aren menghasilkan limbah berupa limbah padat dan cair. Limbah padat berupa kulit batang aren dan ampas aren, sedangkan limbah cair berasal dari air yang digunakan pada saat proses pencucian pati aren. Limbah padat dan cair apabila tidak ditangani dengan baik akan sangat mencemari sungai, dan dapat menimbulkan gangguan lingkungan, misalnya sanitasi lingkungan menjadi tidak sehat (Deden et al., 2019).

Apabila limbah padat dan cair yang dihasilkan melebihi ambang batas yang telah ditentukan, akan mengakibatkan pencemaran sungai. Limbah cair merupakan faktor terbesar dalam kerusakan lingkungan, khususnya pada pencemaran air (Anto et al., 2017).

2. Refused Derived Fuel (RDF)

Refused Derived Fuel (RDF) adalah hasil dari proses daur ulang sampah yang dijadikan bahan bakar dan dapat menghasilkan energi panas. RDF sering dimanfaatkan untuk memperbaiki kualitas dari limbah bahan bakar tanpa polusi.

Menurut American Society for Testing and Material (ASTM) E 856 standard definetions of term and abbreviations relating to physical and chemical characteristic of refuse derived fuel ada 7 tipe (Anugrah Juwita Sari, 2012).

Klasifikasi RDF dapat dilihat pada Tabel 2.1.

commit to user

(28)

Tabel 2.1 Klasifikasi RDF

Kelas Bentuk Deskripsi

RDF-1 Mentah Sampah yang langsung dijadikan bahan bakar.

RDF-2 Kasar Sampah diolah menjadi partikel kasar dengan atau tanpa pemisah logam besi (ferrous metal) dimana 95% berat awal melewati saringan berukuran 6 in² (38,71 cm²).

RDF-3 (f-RDF)

Fluff Partikel dari bahan MSW diproses untuk menghilangkan logam, kaca, dan bahan anorganik dengan ukuran partikel 95% dari berat awal melewati saringan berukuran 2 in² (12,90 cm²).

RDF-4 Tepung/

serbuk

Limbah yang mudah dibakar diolah menjadi bentuk seperti serbuk.

RDF-5 Dipadatkan Sampah yang mudah dibakar kemudian dipadatkan (compressed) menjadi pellet, slugs, cubbettes, briket, atau bentuk serupa.

RDF-6 Cair Limbah mudah terbakar diolah menjadi bahan bakar cair.

RDF-7 Gas Limbah mudah terbakar yang diolah menjadi bahan bakar gas.

Apabila RDF telah melalui proses pembakaran, maka akan menghasilkan gas buang yang mengandung hidrokarbon aromatic SO2 dan Polycyclic aromatic (Ganesh & Vignesh, 2016). Dalam lingkup internasional kualitas standar RDF yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Parameter RDF terhadap Standar Internasional

Parameter Jerman Eropa Firlandia Italia

Nilai Kalor (kkal/ kg) - 3.585 3.107-3.824 3.585

Kadar air (%k) <20 <25 25-35 25

Kadar abu (%k) 8-12 <5 20 12

Kadar volatil (%k) - - - -

Sumber : (Sri Lasmini, 2017)

commit to user

(29)

Proses pembuatan RDF limbah aren dimulai dengan proses pengeringan serbuk limbah aren. Setelah proses pengeringan serbuk limbah aren, kemudian serbuk kering dicampur menggunakan adonan tepung kanji yang digunakan sebagai pengikat serbuk aren. Pencampuran serbuk aren dengan tepung kanji bertujuan agar bentuk dan tingkat kepadatannya bisa sesuai dengan karakteristik RDF yang diinginkan.

3. Pirolisis

Pirolisis merupakan suatu proses konversi biomassa yang dalam prosesnya menggunakan metode dekomposisi suhu yang terjadi dengan adanya sedikit oksigen, sedangkan dilihat dari segi pengoperasian dan pembiayaan cukup potensial karena metodenya yang sederhana (Guedes et al., 2018). Agar terjadi reaksi penguraian senyawa yang kompleks, maka dibutuhkan suhu yang tinggi agar mendapatkan hasil zat dalam 3 bentuk yaitu gas, cair, padat (Prasetyowati et al., 2014). Dalam proses pirolisis jenis reaksi, suhu, waktu, komposisi, dan ukuran bahan baku akan sangat berpengaruh pada hasil akhirnya.

commit to user

(30)

Tabel 2.3 Macam Pirolisis

Proses Kondisi Char(wt%) Liquid(wt%) Gas (wt%) Pirolisis cepat 400-500⁰C,

HHV, waktu tinggal uap <2 detik

10-20 60-75 10-20

Pirolisis vakum

350⁰C, LHV, waktu tinggal uap beberapa menit

20-30 35-45 25-35

Pirolisis lambat

250⁰C, LHV, waktu tinggal uap 5 s.d. 10 menit

25-35 30-45 25-35

Gasifikasi >800⁰C, HHV, waktu tinggal uap sangat lama

10 5 85

Sumber : (Hugo, 2010)

Tabel 2.3 merupakan tabel dari macam pirolisis, sedangkan pada prosesnya pirolisis mempunyai dua metode, yaitu metode pirolisis lambat dan pirolisis cepat.

Bio-oil merupakan hasil akhir dari pirolisis cepat, dan biochar adalah hasil dari pirolisis lambat (Yang et al., 2014). Tidak stabilnya suhu, tingkat panas yang rendah kandungan oksigen yang cukup tinggi, dan beberapa faktor lainnya merupakan karakter yang tidak diharapkan dalam proses pirolisis, karena akan membatasi pemakaian langsung pada hasil pirolisis sebagai bahan bakar (Miskolczi et al., 2011). Nilai pemanasan cairan hasil proses pirolisis biasanya memiliki nilai pemanasan hampir separuh dari bahan konvensional yakni 16 sampai 18 MJ/kg (Oasmaa & Peacocke, 2001). Representatif komposisi kimia cairan pirolisis cepat ditunjukkan pada Tabel 2.4.

commit to user

(31)

Tabel 2.4 Representatif Komposisi Kimia Cairan Pirolisis Cepat

Bio-oil components Wt %

Air Fragment Lignin

Aldehida Asam karbosilat

karbohidrat fenol Furfurals

Alkohol Keton

20 s.d. 30 15 s.d. 30 10 s.d. 20 5 s.d. 10

2 s.d. 5 1 s.d. 4 2 s.d. 5 2 s.d. 5 1 s.d. 5 Sumber : (Hugo, 2010)

Hasil pengolahan biomassa menghasilkan bio-oil yang lebih bersih dan memiliki tingkat emisi mendekati nol, dan tidak ada emisi sulfoksida, dalam hal ini bio-oil lebih diunggulkan daripada bahan bakar fosil (Hugo, 2010). Hasil pengolahan bio-oil dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Bio-oil berdasarkan grade-nya dibagi menjadi tiga grade antara lain:

a. Grade 1, memiliki warna bening, rasa sedikit asam, memiliki aroma netral.

Pada grade 1 memiliki kualitas bio-oil yang paling bagus dan tidak mengandung senyawa yang berbahaya untuk diterapkan ke produk pengolahan makanan.

b. Grade 2, memiliki warna yang coklat transparan, rasa asam, dan tingkat aroma asap yang sedang. Pada grade 2 biasanya digunakan untuk pengawet makanan pengganti formalin.

c. Grade 3, memiliki banyak kandungan tar yang karsinogenik. Biasanya digunakan pada pengolahan karet untuk penghilang bau, pengawet kayu agar tahan dari rayap.

commit to user

(32)

bio-oil heat

boiler co-firing

power diesel engine microturbin

e

fuels

upgrading hydrogen via

syngas

chemicals

resin, fertilizer, flavors, adhesive, sugars, acetic

acids

Gambar 2.2 Bagan Aplikasi Bio-oil Hasil Pirolisis Sumber : (Sadaka & Boateng, 2017)

4. Kondensor

Kondensor merupakan alat yang digunakan untuk mengendalikan panas dan berfungsi untuk mengembunkan uap menjadi cairan, dimana pada proses ini menerapkan mekanisme perpindahan panas secara konduksi dan konveksi. Pada prosesnya fluida panas yang memiliki temperatur tinggi akan dialirkan ke fluida yang memiliki temperatur rendah dengan keadaan yang terpisah. Perpindahan panas secara konduksi terjadi jika kalor pada fluida panas berpindah pada fluida dingin melalui perantara dinding kondensor. Perpindahan panas secara konveksi yaitu fluida panas yang memindahkan kalornya pada benda padat, yang dibentuk bersirip agar lebih mudah menyerap panas. Semakin besar luas permukaan perpindahan panas maka akan semakin banyak pula uap hasil pembakaran yang dapat terkondensasi. Semakin banyak jumlah pipa pada kondensor yang digunakan, semakin besar pula luas permukaan perpindahan panas (Jamilatun & Nurkholis, 2016). Luas permukaan perpindahan panas ini akan mempengaruhi kuantitas bio- oil yang dihasilkan. Kondensor memiliki bermacam jenis desain. Salah satu desain dari berbagai macam ragamnya adalah kondensor shell and tube, kondensor ini mempunyai efektivitas perpindahan panas yang baik, selain itu juga mempunyai biaya yang relatif rendah dalam perancangannya (Jamshidi et al., 2013).

Kondensor shell and tube memiliki desain pipa sebagai komponen utama.

Fluida mengalir di dalam pipa dan fluida lainnya mengalir di luar pipa dengan konduksi terpisah. Pipa-pipa didesain sejajar berada di dalam sebuah ruang berbentuk silinder yang disebut shell. Desain shell and tube ditunjukkan pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4 berikut ini :

commit to user

(33)

Gambar 2.3 Desain Kondensor Shell and Tube Sumber: (Brogan, 2011)

Gambar 2.4 Kondensor Shell and Tube Sumber: (Brogan, 2011)

Klasifikasi kondensor shell and tube berdasarkan arah aliran media pendingin yaitu aliran searah (cocurrent) dan aliran berlawanan arah (countercurrent) (Cengel, 2013).

commit to user

(34)

1. Kondensor tipe aliran media pendingin searah (cocurrent) terjadi ketika fluida kerja yang bertemperatur rendah mengalir searah dengan fluida kerja bertemperatur tinggi, sehingga memiliki input dan output dengan arah fluida yang sama. Aliran media pendingin searah ditunjukkan pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Aliran Media Pendingin Searah Sumber: (Cengel, 2013)

2. Kondensor tipe aliran pendingin berlawanan arah (countercurrent) terjadi jika fluida kerja bertemperatur rendah mengalir berlawanan arah dengan fluida kerja bertemperatur tinggi, sehingga memiliki input dan output fluida di sisi yang berlawanan. Aliran media pendingin berlawanan arah ditunjukkan pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Aliran Media Pendingin Berlawanan Arah Sumber: (Cengel, 2013)

Laju perpindahan panas di dalam kondensor dapat dihitung dengan persamaan 2.1 sebagai beikut (Cengel, 2013):

Q =

m

c

p

(

Tco

–

^Tci

)

……… (2.1) commit to user

(35)

Keterangan : Q = Laju perpindahan panas menyeluruh (Watt)

m

c = Laju aliran massa air (kg/s)

c

p = Panas spesifik air (kJ/kg °C) Tco = Suhu air keluar (°C)

Tci = Suhu air keluar (°C)

Selain kondensor shell and tube, desain kondensor yang biasa digunakan pada proses pirolisis adalah helical coil tube. Helical coil tube memiliki bentuk pipa melingkar memberikan efek aliran sentrifugal pada fluida di dalam pipa. Nilai koefisien panas pada helical coil tube meningkat dengan semakin kecilnya jarak pitch, karena semakin kecil pitch maka rasio permukaan tube terhadap volume shell semakin meningkat. Detail gambar kondensor tipe helical coil tube dapat dilihat pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7 Helical Coil Tube Sumber: (Jamshidi et al., 2013)

B. Kerangka Berpikir

Kerangka berpikir membahas mengenai pengaruh variasi desain pipa dan arah aliran fluida pendingin terhadap kuantitas bio-oil, yang dapat diuraikan sebagai berikut :

1. Pengaruh variasi desain pipa terhadap kuantitas bio-oil.

Besarnya luas penampang dan panjang pipa berfungsi untuk memperluas permukaan perpindahan panas dan menambah jarak pada aliran uap, sehingga dapat menimbulkan efek perpindahan panas dengan maksimal. Besaran diameter pipa sangat berpengaruh terhadap perpindahan panas yang terjadi. Desain pipa dengan perencanaan diameter yang tepat dinilai akan mempengaruhi perpindahan panas dan bio-oil yang dihasilkan, semakin besar luas permukaan perpindahan panas commit to user

(36)

maka akan semakin banyak pula uap hasil pembakaran yang dapat terkondensasi.

2. Pengaruh variasi arah aliran fluida pendingin terhadap kuantitas bio-oil.

Dalam penerapannya, penggunaan arah aliran fluida pendingin mempunyai konsep yang berbeda, namun dalam prakteknya pengunaan arah aliran fluida pendingin berlawanan arah dianggap lebih baik. Hal ini dikarenakan kedua fluida (panas dan dingin) masuk dan keluar pada sisi yang berlawanan, semakin besar perbedaan suhu, maka semakin cepat perpindahan kalor. Temperatur fluida dingin yang keluar dari penukar panas lebih dingin, dibandingkan temperatur fluida panas yang keluar dari penukar kalor, sehingga dianggap lebih baik dari aliran fluida pendingin searah.

3. Pengaruh penggunaan interaksi variasi design tiga cabang pipa dengan arah aliran fluida pendingin berlawanan arah terhadap hasil kuantitas bio-oil.

Penggunaan interaksi variasi tiga cabang pipa dengan arah aliran fluida pendingin berlawanan arah diharapkan mampu menghasilkan kuantitas bio-oil secara optimal, karena pada penerapannya tiga cabang pipa mempunyai luas penampang yang lebih besar sehingga mampu mengkondensasikan bio-oil dengan optimal, dan dikombinasikan dengan arah aliran fluida pendingin berlawanan arah yang dianggap lebih baik dalam penerapannya, sehingga mampu mengkondensasi bio-oil secara optimal.

commit to user

(37)

Diagram alur kerangka berpikir pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Kerangka Berpikir

C. Hipotesis

Berdasarkan rumusan masalah dan kerangka berpikir yang telah dipaparkan, maka hipotesis yang dapat diambil dari penelitian ini adalah:

1. Penggunaan variasi desain tiga cabang pipa menghasilkan kuantitas bio-oil yang lebih banyak dibandingkan variasi desain dua cabang pipa.

2. Penggunaan variasi arah aliran fluida pendingin berlawanan arah menghasilkan kuantitas bio-oil yang lebih banyak dibandingkan variasi arah aliran fluida pendingin searah.

3. Penggunaan interaksi desain tiga cabang pipa dan arah aliran fluida pendingin belawanan arah dengan datangnya uap panas menghasilkan kuantitas bio-oil yang paling banyak.

Kebutuhan energi fosil yang semakin meningkat

Mengembangkan alat pirolisis untuk menghasilkan energi alternatif melalui

optimalisasi desain kondensor

Optimalisasi kondensor shell and tube Variasi design pipa

 Dua cabang

 Tiga cabang

Variasi arah aliran pendingin

 Searah

 Berlawanan arah

Analisis hasil pengujian kuantitas bio-oil

commit to user

(38)

20

METODE PENELITIAN

A. Tempat dan Waktu Penelitian 1. Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan di Kampus V Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan (FKIP) Universitas Sebelas Maret, Jalan Ahmad Yani Nomor 200 Pabelan, Kartasura, Sukoharjo. Pengambilan data penelitian ini dilakukan di Laboratorium Program Studi Pendidikan Teknik Mesin Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas Maret.

2. Waktu Penelitian

Penelitian dimulai dari pengajuan judul penelitian hingga penyusunan laporan penelitian:

a. Pengajuan judul : 13 Desember 2019 b. Pembuatan proposal : 05 Januari 2020 c. Seminar proposal : 15 Agustus 2020 d. Revisi proposal : 18 Agustus 2020 e. Perizinan proposal : 27 Agustus 2020 f. Pelaksanaan eksperimen : 29 Agustus 2020

g. Penyusunan dan revisi laporan : 03 September s.d. Desember 2020 B. Desain Penelitian

Penelitian ini menggunakan metode eksperimen dengan pendekatan kuantitatif, deskriptif, dan komparatif. Desain penelitian ini menggunakan desain factorial 2x2 yang terdiri dari variabel bebas yaitu penggunaan variasi desain tiga cabang pipa dan dua cabang pipa serta variasi arah aliran fluida pendingin searah dan berlawanan arah datangnya uap panas. Nantinya penelitian ini akan menjelaskan secara jelas hasil eksperimen yang telah dilakukan terhadap faktor pengujinya, yang hasilnya dijelaskan secara kuantitatif menggunakan angka, yang kemudian dari hasil angka dideskripsikan, dan dibandingkan mana hasil yang terbaik berdasarkan faktor-faktor yang diperoleh selama eksperimen.

commit to user

(39)

Tabel 3.1 Desain factorial 2x2

Pada Tabel 3.1 dapat dilihat bahwa desain factorial 2x2 menunjukkan perbandingan variasi desain tiga cabang dan dua cabang pipa dengan variasi arah aliran fluida pendingin searah dan berlawanan arah terhadap kuantitas bio-oil yang dihasilkan, dapat dijabarkan sebagai berkut:

1. Penggunaan variasi desain tiga cabang pipa dengan variasi arah aliran fluida pendingin searah terhadap kuantitas bio-oil.

2. Penggunaan variasi desain tiga cabang pipa dengan variasi arah aliran fluida pendingin berlawanan arah terhadap kuantitas bio-oil.

3. Penggunaan variasi desain dua cabang pipa dengan variasi arah aliran fluida pendingin searah terhadap kuantitas bio-oil.

4. Penggunaan variasi desain dua cabang pipa dengan variasi arah aliran fluida pendingin berlawanan arah terhadap kuantitas bio-oil.

C. Teknik Pengumpulan Data

Teknik pengumpulan data yang dilakukan sebagai berikut:

1. Identifikasi Variabel a. Variabel Bebas

1) Desain pipa kondensor shell and tube dengan variasi : a) Variasi tiga cabang pipa

b) Variasi dua cabang pipa Variasi desain

Variasi arah aliran

Tiga cabang pipa (X1.1)

Dua cabang pipa (X1.2)

Searah (X2.1) Y1.1.1

Y1.1.2 Y1.1.3

Y2.1.1 Y2.1.2 Y2.1.3

Berlawanan (X2.2) Y1.2.1

Y1.2.2 Y1.2.3

Y2.2.1 Y2.2.2 Y2.2.3 Kuantitas Total (mL)

commit to user

(40)

2) Aliran fluida pendingin dengan variasi : a) Variasi searah

b) Variasi berlawanan arah b. Variabel Terikat

Variabel terikat dalam penelitian ini adalah kuantitas bio-oil yang diukur dalam satuan volume.

c. Variabel Kontrol

Variabel kontrol pada penelitian ini adalah:

1) Kondensor atau alat penukar kalor shell and tube dengan spesifikasi yang ditunjukkan pada Tabel 3.2.

Tabel 3.2 Parameter Dimensi

Kondensor Parameter Spesifikasi

Panjang pipa 1000 mm

Diameter pipa 26 mm dan 22 mm

Ketebalan pipa 0,5 mm

Diameter tabung 150 mm

Material pipa Stainless steel Media pendingin Air

Laju aliran media pendingin 13.72 L/Min

2) Suhu pemanas reaktor yaitu 400 s.d 420^oC dengan waktu pengujian 25 menit.

3) Biomassa yang digunakan adalah limbah aren padat yang telah dikeringkan berasal dari home industry mi sohun dengan berat 1 kg.

2. Metode Pengumpulan Data

Metode pengumpulan data yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen. Sumber data yang diperoleh merupakan hasil secara langsung dari pembuktian peneliti saat melakukan pengujian. Data diperoleh melalui pengukuran bio-oil yang terkondensasi oleh kondensor dengan variasi yang telah disebutkan di atas. Pengumpulan data dilakukan sebagai berikut:

commit to user

(41)

a. Menimbang berat limbah aren padat

Berat limbah aren yang digunakan pada setiap pengujian ditimbang menggunakan neraca digital dengan berat 1 kg untuk setiap satu kali proses pengujian.

b. Pengukuran temperatur reaktor.

Temperatur reaktor diukur menggunakan termokopel tipe K, yang diletakkan pada empat bagian reaktor (pre-heating, bagian atas, tengah dan bawah reaktor). Data temperatur reaktor akan ditampilkan secara otomatis pada monitor termokopel untuk mengontrol suhu pada reaktor.

c. Pengukuran bio-oil

Volume bio-oil yang dihasilkan dari proses pirolisis cepat diukur menggunakan gelas ukur dengan satuan mL. Interval pengukuran kuantitas bio- oil dilakukan tiap 5 menit selama 25 menit pengujian.

D. Instrumen Penelitian

Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah alat pirolisis yang berfungsi menghasilkan bio-oil dengan suhu pemanas 400^oC s.d. 420^oC. Fokus penelitian yang dilakukan yaitu pada kondensor shell and tube dengan variasi desain pipa dan arah aliran fluida pendingin. Bagian-bagian alat pirolisis ditunjukkan pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Bagian Alat Pirolisis commit to user

(42)

Keterangan gambar:

1. Silo 5. Reaktor

2. Ruang penampung sementara 6. Kondensor 3. Penutup silo dan ruang penampung 7. Gas tank

4. Tuas pembuangan 8. Oil tank

Fokus penelitian pada kondensor yaitu desain pipa kondensor tipe shell and tube serta variasi arah aliran fluida pendingin yang diuji yaitu searah dan berlawanan arah aliran fluida uap panas. Bentuk pipa kondensor dibuat menggunakan pipa lurus 1000 mm, dengan tipe variasi diameter dan jumlah cabang.

Variasi jumlah cabang pipa kondensor shell and tube dan variasi arah aliran fluida pendingin ditunjukkan pada Gambar 3.2 s.d Gambar 3.5.

Gambar 3.2 Tiga Cabang Pipa Gambar 3.3 Dua Cabang Pipa

Gambar 3.4 Arah Aliran Fluida Pendingin Searah

Gambar 3.5 Arah Aliran Fluida Pendingin Berlawanan Arah

Alat pirolisis yang digunakan pada penelitian ini memiliki bagian-bagian sebagai berikut: commit to user

(43)

1. Reaktor

Reaktor adalah sebuah tempat yang digunakan sebagai tempat pemanas dan pengurai komponen biomassa. Reaktor didesain agar tidak terjadi kebocoran yang mengakibatkan kebocoran uap hasil proses pirolisis terbuang sia-sia.

Bahan yang digunakan reaktor ini adalah besi yang terdiri dari silo, ruang pre- heating, ruang bakar dan ruang pembuangan. Detail gambar reaktor dapat dilihat pada Gambar 3.6.

(a) (b)

Gambar 3.6 (a) Desain Reaktor dan (b) Reaktor Jadi 2. Kondensor

Kondensor adalah alat yang digunakan untuk kondensasi uap hasil proses pirolisis menjadi bio-oil. Panas uap yang dihasilkan reaktor diserap oleh media pendingin yang terdapat pada kondensor. Jenis kondensor yang digunakan pada penelitian ini yaitu kondensor shell and tube. Tabung kondensor berbahan besi dengan pipa di dalamnya yang berbahan stainless steel dengan menggunakan media pendingin air, panjang kondensor 1000 mm dengan diameter selubung tabung 150 mm, serta diameter pipa di dalamnya memiliki diameter 26 mm dan 22 mm dengan tebal 0,5 mm. Ukuran kondensor shell and tube dapat dilihat pada Gambar 3.7 dan Gambar 3.8.

commit to user

(44)

Gambar 3.7 Kondensor Shell and Tube

Gambar 3.8 Ukuran Pipa Kondensor Shell and Tube 3. Gas Tank dan Oil tank

Gas tank adalah wadah yang digunakan untuk menampung gas sisa proses pirolisis yang tidak terkondensasi secara optimal pada kondensor. Oil tank adalah wadah sementara dari bio-oil yang dihasilkan pada proses pirolisis sebelum nantinya dipindahkan ke dalam gelas ukur untuk diukur berapa banyak kuantitas yang dihasilkan dari proses pirolisis. Gambar gas tank dan oil tank dapat dilihat pada Gambar 3.9.

(a) (b)

Gambar 3.9 (a) Desain Gas Tank dan Oil tank (b) Gas Tank dan Oil Tank Jadi

commit to user

(45)

4. Burner

Burner adalah alat pemanas yang digunakan untuk memanaskan reaktor dengan suhu pemanas yang dapat diatur sesuai kebutuhan. Burner yang digunakan dalam proses prolisis harus mampu menghasilkan panas stabil.

Sumber pemanas dalam penelitian ini menggunakan kompor berbahan bakar LPG. Gambar burner dapat dilihat pada Gambar 3.10.

Gambar 3.10 Burner 5. Pompa Air

Pompa air adalah alat yang digunakan untuk mensirkulasikan media pendingin dari tempat penampung ke dalam tabung kondensor. Pompa air pada penelitian ini menggunakan daya 38 watt, arus listrik AC 220 s.d. 240 volt, tinggi inlet maksimum 2 m, dan kecepatan aliran maksimum 30 liter/menit.

Gambar pompa air dapat dilihat pada Gambar 3.11.

Gambar 3.11 Pompa Air 6. Stopwatch

Stopwatch adalah alat yang digunakan untuk mengukur waktu penelitian selama 25 menit dengan pengambilan data selang waktu 5 menit. Gambar stopwatch ditunjukkan pada Gambar 3.12.

commit to user

(46)

Gambar 3.12 Stopwatch 7. Pressure Gauge Digital

Pressure Gauge Digital adalah alat yang digunakan untuk menampilkan tekanan yang dihasilkan oleh reaktor pada saat proses pirolisis sedang berlangsung. Kapasitas tekanan maksimal yang dapat ditampilkan oleh pressure gauge sebesar 30 bar. Gambar pressure gauge digital dapat dilihat pada Gambar 3.13.

Gambar 3.13 Pressure Gauge 8. Thermocouple

Thermocouple adalah alat yang digunakan untuk menampilkan temperatur pada reaktor dan kondensor agar dapat mengetahui dan menentukan suhu pemanas pada pengujian pirolisis. Thermocouple yang digunakan pada penelitian ini dapat menampilkan temperatur suhu pengukuran minimum adalah minus -50˚C dan suhu maksimum pengukuran 900˚C. Gambar thermocouple dapat dilihat pada Gambar 3.14.

commit to user

(47)

Gambar 3.14 Thermocouple 9. Kabel Thermocouple

Kabel thermocouple berfungsi untuk mengukur temperatur pada reaktor dan kondensor. Kabel thermocouple yang digunakan pada penelitian ini dapat mengukur temperatur suhu minimum adalah minus -50˚C dan suhu maksimum pengukuran 900˚C. Gambar kabel thermocouple dapat dilihat pada Gambar 3.15.

Gambar 3.15 Kabel Thermocouple 10. Penampung Media Pendingin

Penampung media pendingin digunakan untuk menampung air sebagai media pendingin yang dialirkan ke dalam kondensor oleh pompa. Penampung berbentuk kubus yang terbuat dari plastik dan dapat menampung media pendingin hingga 50 liter. Gambar penampung media pendingin ditunjukkan pada Gambar 3.16.

commit to user

(48)

Gambar 3.16 Penampung Media Pendingin 11. Gelas Ukur

Gelas ukur digunakan untuk menampung dan mengukur kuantitas bio-oil hasil proses pirolisis. Pengukuran bio-oil mengunakan satuan mL kapasitas gelas ukur yang digunakan pada penelitian ini dapat menampung bio-oil hingga 100 mL Gambar gelas ukur dapat dilihat pada Gambar 3.17.

Gambar 3.17 Gelas Ukur 12. Neraca Digital

Neraca digital adalah alat yang digunakan untuk menimbang biomassa pada pengujian dengan satuan gram. Hasil pengukuran ditampilkan pada layar digital yang terdapat pada neraca. Kapasitas pengukuran beban maksimum adalah 5 kg, dengan ketelitian pengukuran 1 gr. Gambar neraca digital dapat dilihat pada Gambar 3.18.

commit to user

(49)

Gambar 3.18 Neraca Digital 13. Kertas TBA

Kertas TBA adalah kertas yang digunakan sebagai segel agar tidak terjadi kebocoran pada reaktor pada saat pengujian. Kertas TBA juga memiliki sifat tahan panas, sehingga sulit untuk terbakar dan cocok digunakan pada temperatur tinggi. Gambar kertas TBA ditunjukkan pada Gambar 3.19.

Gambar 3.19 Kertas TBA Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah:

1. Limbah Aren Padat

Limbah aren padat pada penelitian ini berasal dari sisa home industry produksi mi sohun di Desa Bendo, Kecamatan Tulung, Kabupaten Klaten.

Limbah aren yang diuji pada proses pirolisis sebagai biomassa harus dikeringkan terlebih dahulu, sehingga tidak mengalami penurunan massa. Pengujian pirolisis menggunakan biomassa limbah aren padat dengan berat 1 kg untuk sekali pengujian. Limbah aren ditunjukkan pada Gambar 3.20.

commit to user

(50)

(a) (b)

Gambar 3.20 (a) Limbah Aren Padat Basah dan (b) Limbah Aren Padat Kering E. Teknik Analisis Data

Eksperimen performa kondensor shell and tube ini menggunakan teknik analisis data deskriptif, kuantitatif, komparatif. Data hasil pengukuran dianalisis secara komparatif untuk mencari pemecahan masalah melalui perbandingan hubungan sebab akibat dengan faktor-faktor yang diteliti.

commit to user

(51)

F. Prosedur Penelitian 1. Diagram Alur Penelitian

Gambar 3.21 Alur Penelitian

25”

commit to user

(52)

2. Studi Pustaka

Studi pustaka merupakan kegiatan untuk mencari literatur atau bahan kajian mengenai tema skripsi kondensor shell and tube untuk menyusun proposal skripsi dan laporan. Setelah selesai dan mendapatkan izin penelitian, kemudian dilanjutkan pelaksanaan eksperimen.

3. Pelaksanaan Penelitian dan Pengumpulan Data

a. Langkah eksperimen kondensor shell and tube tiga cabang. Diameter pipa 26 mm, dengan cabang berdiameter 22 mm, dan arah aliran media pendingin searah dengan datangnya fluida uap.

1) Persiapan

a) Mempersiapkan alat penelitian.

b) Memasang termokopel pada reaktor dan kondensor.

c) Memasang pipa kondensor shell and tubedengan variasi jumlah tiga cabang pipa.

d) Mengisi kondensor dengan air pendingin menggunakan pompa searah datangnya fluida uap.

e) Memasang gas tank dan oil tank.

f) Meletakkan gelas ukur di bawah oil tank.

g) Menyiapkan tabel untuk mencatat hasil pengujian.

2) Pengujian

a) Memanaskan reaktor sampai suhu 400^oC.

b) Mengukur suhu air pendingin kondensor.

c) Mengukur laju aliran pendingin kondensor.

d) Mengukur kuantitas bio-oil yang dihasilkan dengan interval 5 menit selama 25 menit.

e) Mencatat hasil pengukuran ke dalam tabel pengujian.

b. Langkah eksperimen kondensor shell and tube tiga cabang. Diameter pipa 26 mm, dengan cabang berdiameter 22 mm dan arah aliran media pendingin berlawanan arah dengan datangnya fluida uap.

commit to user

(53)

1) Persiapan

b) Memasang thermokopel pada reaktor dan kondensor.

c) Memasang pipa kondensor shell and tubedengan variasi jumlah tiga cabang pipa.

d) Mengisi kondensor dengan air pendingin menggunakan pompa berlawanan arah datangnya fluida uap.

2) Pengujian

c. Langkah eksperimen kondensor shell and tube dua cabang. Diameter pipa 26 mm, dengan cabang berdiameter 22 mm dan arah aliran media pendingin searah dengan datangnya fluida uap.

1) Persiapan

c) Memasang pipa kondensor shell and tubedengan variasi jumlah dua cabang pipa.

d) Mengisi kondensor dengan air pendingin menggunakan pompa searah datangnya fluida uap.

2) Pengujian commit to user

(54)

d. Langkah eksperimen kondensor shell and tube dua cabang. Diameter pipa 26 mm, dengan cabang berdiameter 22 mm dan arah aliran media pendingin berlawanan arah dengan datangnya fluida uap.

1) Persiapan

c) Memasang pipa kondensor shell and tubedengan variasi dua jumlah cabang pipa.

d) Mengisi kondensor dengan air pendingin menggunakan pompa berlawanan arah datangnya fluida uap.

2) Pengujian

e) Mencatat hasil pengukuran ke dalam tabel pengujian 4. Mencatat hasil pengukuran ke dalam tabel pengujian analisis data

Data hasil penelitian kemudian dianalisis menggunakan teknik deskriptif, kuantitatif, dan komparatif yaitu dengan mengamati secara langsung hasil pengukuran. Data yang didapat berupa jumlah bio-oil yang dihasilkan tiap variasi kondensor dengan interval waktu lima menit. Data tersebut diubah menjadi grafik commit to user

(55)

untuk mempermudah dalam analisis.

5. Kesimpulan

Berdasarkan data tabel dan grafik dilakukan analisis dan ditarik kesimpulan.

Penarikan kesimpulan merujuk pada tujuan dan hipotesis Bab II yang ingin dibuktikan kebenarannya. Kesimpulan pada penelitian ini akan dijabarkan di Bab V.

commit to user

(56)

38 BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

A. Hasil penelitian 1. Deskripsi Data

Data hasil pengujian variasi desain pipa dan arah aliran fluida pendingin pada kondensor shell and tube, diperoleh data seperti pada Tabel 4.1:

Tabel 4.1 Data Hasil Kuantitas Bio-oil Variasi Desain Pipa dan Arah Aliran Fluida Pendingin

Variasi Arah

Fluida Pendingin Waktu (Menit)

Variasi Desain Pipa Tiga Cabang

pipa

Dua Cabang Pipa

Searah

0’ s.d 5’ 53 mL 50 mL

5’ s.d 10’ 60,5 mL 53 mL

10’ s.d 15’ 62 mL 54,5 mL

15’ s.d 20’ 10 mL 11 mL

20’ s.d 25’ 0 mL 0 mL

Jumlah 185,5 mL 168,5 mL

Berlawanan Arah

0’ s.d 5’ 55 mL 50 mL

5’ s.d 10’ 64 mL 56,5 mL

10’ s.d 15’ 69 mL 60 mL

15’ s.d 20’ 14,5 mL 12,5 mL

20’ s.d 25’ 0 mL 0 mL

Jumlah 202,5 mL 179,5 mL

Data pada Tabel 4.1 merupakan data hasil kuantitas bio-oil yang dilakukan pada pengujian variasi desain pipa dan arah aliran fluida pendingin pada kondensor shell and tube. Kolom pada Tabel menunjukkan variasi arah aliran fluida pendingin, dan variasi desain pipa kondensor. Baris pada Tabel menunjukkan hasil kuantitas bio-oil yang dihasilkan pada pengujian. Rekap akhir data pengukuran kuantitas bio- oil dapat dilihat pada Tabel 4.2. commit to user