Tugas Akhir
RANCANG BANGUN PERALATAN DESTILASI
MINYAK ATSIRI DENGAN BAHAN DASAR DAUN
NILAM
Tugas Akhir ini Disusun Sebagai Salah Satu Persyaratan Meraih Gelar Sarjana Program Studi S1 Jursan Teknik Mesin
Disusun Oleh : RUDI TAHIYAN
01301-093
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
UNIVERSITAS MERCU BUANA
JAKARTA
2007
LEMBAR PERNYATAAN
Saya yang bertanda tangan dibawah ini :
Nama : Rudi Tahiyan
Nim : 01301-093
Jurusan : Teknik Mesin
Fakultas : Teknologi Industri
Judul Tugas Akhir : Rancang Bangun Peralatan Destilasi Minyak
Atsiri dengan Bahan Dasar Daun Nilam
Menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir ini Adalah benar
hasil karya saya sendiri bukan salinan atau duplikat dari karya orang lain, kecuali
kutipan-kutipan referensi yang telah disebutkan sumbernya
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya atas
perhatiannya saya ucapkan Trima Kasih.
Jakarta 23 agustus
LEMBAR PENGESAHAN
Rancang Bangun Peralatan Destilasi Minyak Atsiri dengan Bahan
Dasar Daun Nilam
Nama : Rudi Tahiyan Nim : 01301-093 Jurusan : Teknik Mesin Fakultas : Teknologi Industri
Tugas ini telah diperiksa dan disetujui oleh: Mengetahui
Pembimbing 1 Pembimbing 2
( Nanang Ruhyat. St) ( Ir.Ariosuko Dh)
Koordinator Tugas Akhir
KATA PENGANTAR
Bismillahirrohmanirrohim
Syukur alhamdilillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT Yang telah memberikan rahmat dan hidayahnya –Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini, serta tidak lupa salawat dan salam pada junjungan kita Nabi besar Muhammad SAW, beserta Keluarga, Sahabat, para pengikut beliau yang setia pada akhir jaman.
Laporan tugas ini berawal dari pemikiran penulis tentang bagaimana cara meningkatkan produksi penyulingan minyak nilam pada home Industri sekala kecil/lab dan menengah, dan bagaimana cara meningkatkan kualitas dari minyak nilam tersebut, supaya bisa melakukan secara mudah dan ekonomis, Berdasarkan hal tersebut maka penulis coba melakukan perbandingan hasil pengujian terhadap beberapa jenis bentuk dan material pemindah kalor pada alat destilasi minyak pohon nilam.
Dengan Pengetahuan yang penulis miliki dari Universitas Mercu Buana dan juga pengamatan penulis dari berbagai industri skala kecil, Penulis berharap hasil dari beberapa perbandingan hasil ppercobaan yang telah penulis lakukan nantinya dapat di aplikasikan pada industri kecil dan menengah, dan bermampaat bagi kalangan perkembangan usaha, sehingga dapat meningkatkan pendapatan dan kesejahtraan perusahaan.
Penyusun menyadari tidak mungkin dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini tanpa adanya petunjuk, pengarahan, bimbingan serta dorongan semangat dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan Trimakasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak dan Ibu (alm) tercinta dan Kaka saya yang telah memberikian moril maupun material serta dorongan yang tak pernah pudar.
2. Bapak Ir. Yuriadi Kusuma selaku dekan Fakultas Teknologi Industri.
3. Bapak Nanang Ruhyat. St. MT Selaku dosen Pembimbing 1, sekaligus sebagai Koordinator Tugas Akhir ini.
4. Bapat Ir. Ariosuko Dh Selaku dosen pembimbing 2 Tugas akhir ini.
5. Semua Dosen Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan ilmu dan pengetahuannya kepada
6. Teman-teman Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Khususnya Angkatan 2001 Universitas Mercu Buana.
7. Teman-teman di Scudeto Band, kita yakinkan bahwa kita bisa melangkah maju ke depan meraih cita-cita kita.
8. Teman-teman di Fron Indonesia Semesta (FIS).
Penulis menyadari dalam penyusunan Tugas Akhir ini masih banyak terdapat kekurangan dan keterbatasan pengetahuan yang penulis miliki, Oleh karna itu Kritik dan Saran sangat di harapkan untuk Penyempurnaan Tugas akhir ini dalam rangka mendapatkan hasil yang baik di masa-masa yang akan datang.
Jakarta 15 Agustus 2007
Abstrak
Minyak atsiri merupakan minyak yang diekstrak dari tanaman yang memiliki banyak kegunaan, terutama dalam industri farmasi, kosmetik, dan aroma terapi untuk kesehatan. Untuk itu perlu dikembangkan alat destilasi minyak atsiri agar minyak atsiri lebih memasyarakat dan sumber daya alam dalam bidang perkebunan dapat lebih termanfaatkan.
Untuk tujuan tersebut di atas, maka dibuat alat destilasi minyak atsiri skala kecil/lab dengan menggunakan bahan yang lebih murah agar terjangkau oleh masyarakat yang ingin memproduksi sendiri minyak atsiri atau melakukan percobaan-percobaan dalam rangka pengembangan proses destilasi minyak atsiri.
Perbandingan jumlah minyak yang dihasilkan dengan jumlah bahan baku sangat berbanding jauh, jika bahan baku yang didestilasikan sebanyak 2 (dua) kg, maka minyak yang dihasilkan hanya 40 x 10-3 m3 (40 ml).
Dari hasil percobaan proses destiasi menggunakan alat yang telah dibuat, dapat disimpulkan bahwa kualitas minyak tergantung dari kondisi bahan baku, kepadatan bahan baku, jenis material alat dan lamanya proses destilasi.
Daftar Isi
Halaman
LEMBAR PERNYATAAN ... ii
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
KATA PENGANTAR ... iv
Abstrak ... vi
Daftar Isi ... vii
Daftar Gambar ... viii
Daftar Tabel ... ix
Nomenklatur ... x
BAB I PENDAHULUAN ... 1
I.1 Latar Belakang ... 1
I.2 Tujuan ... 1
I.3 Batasan Masalah ... 2
I.4 Metodologi Penulisan ... 2
I.5 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II DASAR TEORI ... 5
II.1 Minyak Atsiri ... 5
II.2 Potensi Ekonomis Minyak Atsiri (Minyak Nilam) ... 5
II.3 Perkembangan Ekspor Impor Dunia ... 9
II.4 Metode – metode Destilasi Minyak Atsiri ... 11
BAB III DESAIN TERMAL DAN PEMBUATAN ALAT ... 15
III.1 DESAIN TERMAL ... 15
III.1.1 Karakteristik Bahan ... 15
III.1.2 Kesetibangan Massa ... 16
III.1.3 Kesetimbangan Kalor ... 16
III.1.3.1 Kalor Yang Dilepaskan Uap Air ... 16
III.1.3.2 Kalor Yang Dibutuhkan untuk Menguapkan Air dan Rendemen dalan Bahan ... 17
III.1.3.3 Jumlah Uap Air yang Dibutuhkan per Kilogram
Bahan Kering ... 17
III.1.4 Desain Ketel ... 17
III.1.4.1 Kontruksi Ketel ... 17
III.1.4.2 Penentuan Luas Area Perpindahan Kalor Ketel ... 18
III.1.5 Tebal Isolasi ... 20
III.1.6 Desain Kondensor (Satainless Steel) ... 23
III.1.6.1 Kontruksi Kondensor ... 23
III.1.6.2 Menghitung Luasan Perpindahan Kalor Kondensor ... 23
III.2 PEMBUATAN ALAT ... 29
III.2.1 Komponen – komponen Utama Alat ... 29
III.2.2 Komponen – komponen Pendukung Alat ... 33
BAB IV PROSES DESTILASI DAN ANALISA ... 36
IV.1 PROSES DESTILASI ... 36
IV.1.1 Sumber Kalor ... 36
IV.1.1.1 Minyak Tanah ... 36
IV.1.2 Bahan Destilasi ... 36
IV 1.3 Langkah – langkah Proses Destilasi ... 37
IV.1.3.1 Persiapan Alat ... 37
IV 1.3.2 Proses Pendidihan Air ... 38
IV.1.3.3 Proses Kondensasi ... 38
IV.1.3.4 Proses Penampungan Kondensat ... 39
IV.1.3.5 Proses Pengambilan Minyak ... 39
IV.1.4 Proses Pengambilan Data Operasi ... 40
IV.1 5 Data Proses Destilasi ... 42
IV.2 ANALISA ... 44
IV.2.1 Proses Desain Alat ... 44
IV.2.2 Pembuatan Alat ... 44
IV 2.3 Proses Destilasi Minyak Atsiri ... 45
IV.2.5 Perhitungan Ekonomis ... 48 BAB V PENUTUP ... 50 V.1 Kesimpulan ... 50 V.2 Saran ... 51 DAFTAR PUSTAKA ... 52 LAMPIRAN ... 53
Daftar Gambar
Halaman
Gambar 2.1 Tanaman Nilam ... 8
Gambar 2.2 Nilam Kering ... 8
Gambar 3.1 Ketel Uap ... 29
Gambar 3.2 Tangki Bahan Baku ... 30
Gambar 3.3 Penutup Ketel Uap ... 30
Gambar 3.4 Pipa Ketel Uap – Kondensor ... 31
Gambar 3.5 Tube Kondensor ... 31
Gambar 3.6 Tangki Kondensor ... 32
Gambar 3.7 Pemisah Air – Minyak Sederhana ... 32
Gambar3.8 Nepel sok ¾”, Water Mur ¾”, Double Nepel ¾”, Knee derat ¾” ... 34
Gambar 3.9 Thacometer ... 35
Gambar 4.1 Penampung Kondensat ... 39
Daftar Tabel
Halaman
Tabel 2.1 Contoh hasil minyak nilam yang dihasilkan oleh pabrik
Destilasi di desa Cikondang, Majalengka ... 8
Tabel 2.2 Trend impor dan ekspor negara – negara terbesar di Dunia ... 10
Tabel 2.3 Negara – negara pengimpor terbesar di dunia pada tahun 2002 ... 10
Tabel 2.4 Negara – negara pengeskpor terbesar di dunia pada tahun 2002 ... 11
Tabel 3.1 Karakteristik bahan ... 15
Tabel 3.2 Kesetimbangan Massa ... 17
Tabel 3.3 Hasil Perhitungan ... 28
Tabel 4.1 Percobaan 1 ... 42
Tabel 4.2 Percobaan 2 ... 42
Tabel 4.3 Kenaikan Suhu Air Destilasi dalam Ketel terhadap Waktu (Bahan Bakar Minyak Tanah, dengan Isolasi) ... 43
Tabel 4.4 Perbandingan percobaan 1 dan 2 ... 45
NOMENKLATUR
Simbol Keterangan Satuan
o
A Luasan permukaan pipa bagian luar m²
i
A Luasan permukaan pipa bagian dalam m²
l
C Kalor spesifik zat cair jenuh J/kg.°C m
C, Konstanta untuk permukaan isothermal -
sf
C Konstanta gabungan fluida-permukaan -
g Percepatan grafitasi m/s²
f
Gr Bilangan Grashof (pada kondisi film) -
h Koefisien kondensasi rata-rata W/m².°C
o
h Koefisien perpindahan kalor konveksi W/m².°C
i
h Koefisien perpindahan kalor kondensasi W/m².°C
fg
h Enthalpy penguapan J/kg
k Konduksi fluida jenuh W/m².°C
L Panjang pipa m
f
u
N Bilangan Nusselt (pada kondisi suhu film) -
l
P Tekanan zat cair Pa
Prl Angka prandtl -
v
P Tekanan uap di dalam gelembung Pa
A
q/ Fluks kalor per satuan luas W/m²
o
r Jari-jari luar pipa m
i
r Jari-jari dalam pipa m
Ra Bilangan Rayleigh -
Rf Tahanan pengotoran -
o
t Suhu air pendingin keluar °C
i
t Suhu air pendingin masuk °C
f
T Suhu dievaluasi pada kondisi film °C
Ts Suhu permukaan solid °C
s
t Suhu uap jenuh °C
Tsat Suhu jenuh °C
w
Τ Suhu dinding °C
∞
o
U Koefisien perpindahan kalor menyeluruh W/m².°C
e
∆Τ Excess temperature °C
m
T
∆ Beda suhu rata-rata logaritmik °C
x
∆ Tebal dinding m
l
µ Viskositas zat cair kg/m.s
l
ρ Densitas zat cair jenuh kg/m³
ν
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Dalam industri makanan dan minuman, wewangian serta obat-obatan memerlukan minyak atsiri sebagai bahan pencampur yang terus berkembang penggunaannya, sejalan dengan meningkatnya industri-industri tersebut di atas. Indonesia merupakan Negara yang subur dan banyak tempat yang cocok untuk membudidayakan tanaman yang dapat menghasilkan minyak atsiri.
Minyak atsiri kurang dikenal secara luas penggunaannya, manfaat dan juga nilai ekonomisnya. Oleh karena itu penanaman dan pengolahannya masih terkonsentrasi di beberapa daerah yang masih meliputi kelompok-kelompok tani.
Industri minyak atsiri di Indonesia masih dilakukan oleh pengusaha-pengusaha yang memiliki modal besar, karena proses destilasi minyak atsiri yang memerlukan alat destilasi dengan harga yang sangat mahal, sehingga minyak atsiri belum menjadi industri rumah tangga dengan skala produksi kecil. Untuk itu perlu dikembangkan alat destilasi yang lebih murah yang terjangkau oleh industri rumah tangga dan dapat menghasilkan keuntungan bagi pengusahanya, sehingga industri minyak atsiri dapat lebih memasyarakat agar sumber daya alam khususnya bidang perkebunan dapat dimanfaatkan secara optimal dan juga dapat menjadi lapangan pekerjaan baru yang menyerap sumber daya manusia.
I.2 Tujuan
Tujuan dari rancang bangun alat destilasi minyak atsiri adalah :
• Membuat alat destilasi minyak atsiri skala laboratorium yang dapat menjadi acuan dasar untuk pembuatan alat destilasi minyak atsiri yang lebih besar.
• Memproduksi alat destilasi yang dapat terjangkau oleh masyarakat.
I.3 Batasan Masalah
Proses desain alat destilasi minyak atsisri ini dilakukan dengan batasan masalah berdasarkan pada kondisi sebagai berikut :
• Proses destilasi yang digunakan adalah menggunakan media air dan uap.
• Tekanan yang digunakan adalah tekanan 0 gauge
• Bahan acuan yang akan didestilasikan menggunakan nilam kering.
• Uap yang berada di dalam tube kondensor dianggap uap air jenuh, karena perbandingan antara uap minyak dengan uap air sangat kecil.
• Kandungan minyak dianggap tersebar merata pada bahan.
I.4 Metodologi Penulisan
Dalam melakukan rancang bangun ini, yang dilakukan adalah literature tentang minyak atsiri, metode destilasi dan karakteristik serta komponen-komponen yang terdapat pada minyak atsiri maupun bahan yang mengandung minyak atsiri tersebut. Selanjutnya seperti yang terlihat pada bagan gambar berikut :
I.5 Sistematika Penulisan BAB I PENDAHULUAN
Bab ini berisi tentang latar belakang desain, tujuan, batasan masalah, metodologi penulisan serta sitematika penulisan.
BAB II DASAR TEORI
Bab ini memuat informasi-informasi tentang minyak atsiri dan metode-metode proses destilasinya.
BAB III DESAIN TERMAL DAN PEMBUATAN ALAT
Bab ini membahas tentang tahapan-tahapan dalam proses desain termal dan menjelaskan tentang pembuatan alat destilasi minyak atsiri.
BAB IV PROSES DESTILASI DAN ANALISA
Bab ini membahas dan menganalisa desain termal alat destilasi dan proses destilasi serta perhitungan ekonomis alat.
BAB V PENUTUP
Bab ini memuat kesimpulan yang diperoleh setelah melakukan proses destilasi dan menganalisa hasil destilasi tersebut yang berhubungan dengan proses desain yang telah dilakukan.
BAB II DASAR TEORI
II. 1 Minyak Atsiri
Minyak Atsiri (Essential Oil) dikenal dengan nama Minyak Eteris atau Minyak Terbang, adalah minyak yang dihasilkan dari tanaman yang mempunyai sifat mudah menguap pada suhu tertentu tanpa mengalami dekomposisi. Pada umumnya minyak atsiri mempunyai rasa getir, berbau wangi sesuai dengan bau tanaman penghasilnya, larut dalam penglarut organic dan tidak larut dalam air.
Tanaman penghasil minyak atsiri termasuk dalam famili Pinaceae,
Labiateae, Comporiteae, Laurateae,Myrtaceae dan Umbelliferceae. Minyak
atsiri bersumber dar setiap bagian tanaman yaitu daun, bunga, buah, biji, batang, kulit, akar atau umbi (rizhoma), yang merupakan bahan baku untuk produk farmasi dan kosmetik alamiah di samping digunakan sebagai kandungan dalam bumbu maupun pewangi (flur and fragrance ingredients).
Dalam perdagangan internasional terdapat 80 jenis minyak atsiri yang diperdagangkan, sedangkan Indonesia saat ini baru mengekspor sekitar 12 jenis minyak atsiri antara lain : Minyak Nilam (Patchouli Oli), minyak Akar Wangi
(Vertiver Oil), Minyak Sereh Wangi (Cintronella Oil), Minyak Kenanga
(Cananga Oil), Minyak Kayu Putih (Cajuput Oil), Minyak Sereh Dapur (Lemon
Grass), Minyak Cengkeh (Cloves Oil), Minyak Kayu Manis (Cinamon Oil),
Minyak Cendana (Sandal Wood Oil), Minyak Pala (Nutmeg Oil), Minyak Kemuskus (Cubeb Oil), dan Minyak Lada (Papper Oil). Minyak atsiri dikelompokkan pada SITC (Standar Internastional Trade Clasisification)-STIC 5513 (Essential Oil)-SITC55131 (Essential oil Citrus Fruit) dan SITC 55132
(Other Essential Oil).
II. 2 Potensi Ekonomis Minyak Atsiri (Minyak Nilam)
Berbicara soal komoditi ekspor nonmigas, minyak atsiri dari nilam salah satu andalan. Bahkan negara kita tercatat sebagai salah satu pengekspor minyak nilam terbesar di dunia. Meski popular di pasar internasional, anehnya minyak
atsiri kurang akrab di telinga kita. Apalagi masih sedikit yang mengenal sosok tanaman nilam dengan baik, padahal ini merupakan peluang bisnis yang dapat diandalkan.
Nilam merupakan salah satu dari 150 – 200 spesies tanaman penghasil minyak atsiri. Di Indonesia sendiri terdapat sekitar 40 – 50 jenis, tetapi baru sekitar 15 spesies yang diusahakan secara komersial. Tanaman nilam juga dikenal dengan nama komersil Pogostemon Patchouli atau Pogostemon Cablin Benth, atau Pogostemon Mentha. Aslinya dari Filipina, tapi sudah dikembangkan juga di Malaysia, Madagaskar, Paraguay, Brasil, dan Indonesia. Akibat banyak ditanam di Aceh, kemudian juga dijuluki nilam Aceh, Varietas ini banyak dibududayakan secara komersial.
Daerah Istimewa Aceh, terutama Aceh Selatan dan Tenggara, masih menjadi sentra nilam terluas di Indinesia (Ditjen Perkebunan, 1997). Disusul Sumatra Utara (Nias, Tapanuli Selatan), Sumatra Barat, Bengkulu, Lampung , Jawa Tengah (Banyumas, Banjarnegara), dan Jawa Timur (Tulungagung). Umumnya, masih didominasi perkebunan rakyat berskala kecil.
Tanaman minyak atsiri di Propinsi Jawa Barat terdapat di beberapa daerah Kabupaten, dan yang saat ini sudah berorientasi kea rah perdagangan ekspor adalah jenis minyak akar wangi (Vertiver Oil) dan minyak nilam (Patchouli Oil).
Untuk minyak nilam, daerah budidaya tersebar di Kabupaten Tasikmalaya, Kuningan dan Garut. Alat destilasi minyak nilam saat ini sudah menggunakan sistem destilasi dengan menggunakan mesin yang ramah lingkungan.
Varietas lainnya, Pogostemon Heyneanus, berasal dari India, juga disebut nilam Jawa atau nilam hutan karena banyak tumbuh di pulau Jawa. Ada lagi Pogostemon Hortensis, atau nilam sabun (minyak atsiri bias untuk mencuci pakaian). Banyak tertapat di daerah Banten, Jawa Barat, sosok tanamannya menyerupai nilam Jawa, tetapi tidak berbunga.
Sebagai tanaman penghasil minyak atsiri yang bernilai ekonomis tinggi, nilam bias menjadi alternative untuk meningkatkan ekspor nonmigas, terbukti minyak nilam telah tercatat sebagai penyumnbang terbesar devisa negara ketimbang minyak atsiri lainnya.
Volume ekspor minyak nilam periode 1995-1998 mencapai 800-1.500 ton, dengan nilai devisa US$ 18-53 juta. Sementara data terbaru menyebutkan, nilai devisa dari ekspor minyak nilam sebesar US$ 33 juta, 50% dari total devisa ekspor minyak atsiri Indonesia. Secara keseluruhan Indonesia memasok lebih dari 90% kebutuhan minyak nilam dunia (Nuryani Y.,2001).
Berdasarkan laporan Marlet Study Essential Oils and Oleoresi (ITC), produksi nilam dunia mencapai 500-550 ton per tahun. Produksi Indonesia kekitar 450 ton per tahun, kemudian disusul Cina (50-80 ton per tahun). Produk minyak atsiri dunia yang didomonasi Indonesia, antara lain nilam, sereh wangi, minyak daun cengkeh, dan kenanga.
Sebelum diekspor, minyak nilam biasanya ditampung oleh agen eksportir. Harga minyak nilam di pasaran local (di tingkat agen eksportir) berkisar Rp.200.000,- -Rp.250.000,- per kg (di New York, AS $14-23,5). Negara tujuan ekspornya meliputi Singapura, India, AS, Inggris, Belanda, Francis, Jerman, Swiss, dan Spanyol.
Ada kalanya petani (terutama yang tidak punya alat destilasi) menjual daun nilam dengan harga Rp.2000,- per kg (kering) atau Rp.400,- per kg (basah). Penampungnya tidak lain petani pemilik ketel destilasi. Dulu, sebelum petani mengenal alat destilasi, yang diekspor adalah daun nilam kering. Alat destilasi mulai dikenal tahun 1920-an.
Minyak nilam Indonesia sangat digemari pasar Amerika dan eropa. Terutama digunakan untuk bahan baku industri pembuatan minyak wangi (sebagai pengikat bau atau fixative parfum), kosmetik, dll.
Komponen utama minyak nilam (diperoleh dari destilasi daun nilam) berupa pacthoully alcohol (45-50%), sebagai penciri utama dan bahan industri kimia.
Tabel 2.1 Contoh hasil minyak nilam yang dihasilkan oleh pabrik destilasi desa Cikondang, Majalengka.
Karateristik Hasil SNI 06-2385-1991
Kadar air, % (v/b) 23.0 Kadar minyak, % (v/b) 2.60 Rendemen, % (v/b) 1.60
Warna Kuning Kuning muda sampai coklat
Berat jenis, 25°C/25°C 0.9625 0.943-0.983 Indeks bias, 25°C 1.5057 1.506-1.516 Putaran optik -55° 12° (-47°)-(-60°) Kelarutan dalam alcohol
90%
Larut 1:7.5 Larut jernih 1:1-10
Bilangan asam, % 3.39 Maks. 10 Bilangan ester, % 1:74 Maks. 10 Patchouli alcohol, %
(GC)
32.8 - 40.55 -
(Sumber Pabrik destilasi desa Cikondang, Majalengka)
Gambar 2.1 Gambar 2.2 Tanaman Nilam Nilam Kering
Sebuah referensi menyebutkan, minyak nilam bias untuk bahan antiseptic, anti jamur, anti jerawat, obat eksem, dan kulit pecah-pecah, seta serta ketombe. Juga bisa mengurangi peradangan. Bahkan dapat juga mengurangi kegelisahan
dan depresi, atau membantu penderuta insomnia (gangguan susah tidur). Oleh karena itu minyak ini sering dipakai untuk bahan terapi aroma. Juga bersifat
afrodisiak : meningkatkan gairah seksual.
Bukan Cuma minyak nilamnya yang bermanfaat, di India daun kering nilam juga digunakan sebagai pengharum pakaian dan permadani. Selain itu, rebusan atau jus daun nilam, kabarnya, dapat diminum sebagai obat batuk dan asma. Remasan akarnya untuk obat bisul dan pening kepala.
Kadar minyak nilam bervariasi, tergantung pada varietasnya. Nilam Aceh
(pogostemon cablin), karena tidak berbunga, kadar minyak tinggi (2,5-5 %).
Begitu pula sifat minyaknya disukai pasar. Nilam Jawa (Pogostemon heyneamus) karena berbunga, kadar minyaknya rendah (0,5-1.5 %). Komposisi minyaknya kurang diminati. Sedangkan nilam sabun (Pogostemon hortensis), kadar minyak (0,5-1,5 %) dan jenis ini kurang disukai pasar.
Oleh karena itu, dengan berkembangmya industri minyak atsiri maka alat destilasi merupakan potensi usaha yang dapat dikembangkan.
II. 3 Perkembangan Ekspor dan Impor Dunia
Nilai impor dunia (91 negara pengimpor) pada tahun 1996 berjumlah US$ 475,598 ribu telah meningkat sekitar 7,02 % menjadi US$ 508,964 ribu pada tahun 2000. demikian pula volumenya mencapai 35.201 ton pada tahun 1996 telah meningkat 59,28 % menjadi 56.067 ton pada tahun 2000. nilai ekspor dunia (71 negara pengekspor) pada tahun 1996 mencapai US$ 385,080 ribu dan pada tahun 2000 menjadi US$ 380,576 ribu atau menurun 1,2 % (sumber ITC).
Trend impor dan ekspor beberapa Negara pengimpor dan pengekspor terbesar adalah :
Tabel 2.2 Trend Impor dan Ekspor Negara-negara Terbesar Dunia No Negara Pengimpor Trend Impor 1996 - 2000 (%) Negara Pengekspor Trend Ekspor 1996 - 2000 (%) 1. USA 3.5 France 0.1 2. France 1.9 China - 3.1
3. United Kingdom - 3.1 Indonesia 3.2
4. Germany - 3.2 USA 3.5
5. Switzliecht 1.2 United Kingdom - 5.5
6. Spain 1.9 Spain 7.6 7. Japan - 4.7 Singapure 28.9 8. Brazil 28.1 Germany 0.9 9. Italy 5.2 Swizt 0.4 10. Netherland 1.7 Netherland 5.2 11. Mexico 15.6 Australia - 6.1 12. Hongkong - 17.2 Turkey 3.6 13. Canada 11.2 Maroco - 5.6 14. Ireland 11.7 Austria 0.8
Sumber : Satuan pengembangan kegiatan ekspor Daerah-2004. “Peluang Pasar
Essential Oil”,Disperindag. Jawa Barat. 2003.
Perkembangan ekspor dunia Essential Oils pada tahun 2002 mencapai US$ 500,071 ribu (33.183 tons) dan nilai impor dunia mencapai US$ 564,620. Negara-negara pengimpor terbesar pada tahun 2002 adalah sebagai berikut :
Tabel 2.3 Negara-negara Pengimpor Terbesar di Dunia pada tahun 2002
Negara Nilai Impor(ribu US$) Pertumbuhan Impor 2001 – 2002 (%) Share in Word Import (%) USA 120,220 5 21 France 87,573 2 15
United Kingdom 48,149 13 8
Switzerland 36,237 8 8
Germany 32,906 15 6
Spain 29,411 3 5
Sumber : Satuan pengembangan kegiatan ekspor Daerah-2004. “Peluang Pasar
Essential Oil”,Disperindag. Jawa Barat. 2003.
Sedangkan Negara-negara pengekspor terbesar pada tahun 2002 adalah : Tabel 2.4 Negar-negara Pengekspor Terbesar di Dunia pada tahun 2002
Negara Nilai Impor(ribu US$)
Pertumbuhan Ekspor 2001 – 2002 (%) Share in Word Eksport (%) France 93,842 0 18 China 50,517 2 10 Indonesia 47,940 -6 9 USA 34,011 3 6 United kingdom 24,346 7 4 Singapure 21,090 16 4
Sumber : Satuan pengembangan kegiatan ekspor Daerah-2004. “Peluang Pasar
Essential Oil”,Disperindag. Jawa Barat. 2003.
Berdasarkan data ITC / Comtrade Statistics nilai ekspor Indonesia untuk komoditi Essential Oil (HS. 330129) pada tahun 2000 mencapai US$ 36,799 ribu dan share
Indonesia dalam total ekspor dunia mencapai 8% dibawah France (22%) dan China (10%).
II. 4 Metode – Metode Destilasi Minyak Atsiri
Metode-metode destilasi di bawah ini sudah lama dilakukan pada pabrik-pabrik destilasi minyak atsiri di Indonesia, di antaranya yaitu :
a. Metode Destilasi Air da Uap
Salah satu keuntungan yang dimiliki destilasi aid an uap dibandingkan dengan destilasi uap langsung adalahkarena kemungkinan terbentuknya jalur uap di dalam ketel semakin kecil. Uap terbentuk di atas permukaan air, sehingga uap tersebut berpenetrasi melalui bahan secara merata.
Selama permulaan tahun-tahun produksi sereh wangi di Pulau Jawa, destilasi dilakukan dengan uap langsung, tetapi setelah tahun 1910 pada masapenduduk pribumi dan Cina mulai berkecimpung di bidang industri, mulai diperkenalkan proses destilasi air dan uap. Tipe ketel ini lebih murah dan prosesnya sendiri lebih sedehana. Pengoperasian ketel ini relatf ekonomis dan tidak perlu menggunakan ketel uap.
Ketel suling air dan uap ditempatkan di atas dapur yang terbuat dari bahan tahan api, dan ketel yang dilengkapi dengan saringan (grid) ini sebagai penyangga bahan olah. Air yang terdapat di bawah grid dipanaskan dengan api langsung. Ketel ini juga dilengkapi pula dengan satu lubang pada bagian samping untuk memudahkan pengisian bahan dan mengeluarkan ampas. Bahan diisikan ke dalam ketel sampai mampat untuk mencegah timbulnya jalur uap. Volume bahan berkurang selama proses destilasi. Di antara dinding ketel dan isi ketel atau bahan olah, terutama pada ketel yang tidak diberi insulasi akan terjadi kondensasi internal, dan kondensatnya yang mengandung zat-zat ekstraksif non volatif berwarna gelap ditampung di bawah grid pada dasar ketel dan dikumpulkan setelah beberapa proses destilasi. Selanjutnya dianjurkan untuk membuang air dalam ketel (dibawah grid) setelah setiap partai bahan didestilasi kemudian diganti dengan air yang segar untuk proses destilasi berikutnya.
Masing-masing pada sistem destilasi air dan uap membutuhkan sumber air yang terpisah. Oleh karena iti jumlah pemakaian bahan bakar relative lebih besar dari pada menggunakan satu ketel uap yang mensuplai uap untuk seluruh ketel. Detilasi air dan uap (dengan api langsung) dapat direkomendasikan bahan yang didestilasikan per hari jumlahnya cukup kecil. Detilasi dalam ketel berukuran sangat besar dengan sistem air dan uap, dimana uap harus berpenetrasi jauh ke
seluruh bagian daun tidak akan menghasilkan rendemen minyak yang lebih tinggi disbanding dengan penyulingan uap langsung.
b. Destilasi di dalam godokan
Sistem destilasi di dalam godokan merupakan modifikasi dari destilasi air dan uap. Dapur api dan ketel air (water boiler) letaknya terpisah dari ketel destilasi. Kapasitas godokan bervariasi antara 400 sampai 4000 kg rumpun. Ketel destilasi yang memuat lebih dari 1500 kg daun bersifat kurang ekonomis dibanding dengan ketel yang memuat 1000 sampai 2000 kg bahan olah. Ketel-ketel destilasi ukuran kecil membutuhkan waktu destilasi lebih singkat. Pada prakteknya destilasi suatu partai bahan seberat 1000 sampai 1200 kg dilakukan selama 5 sampai 6 jam, meskipun destilasi dengan laju uap tinggi.
c. Destilasi dengan Uap Langsung
Destilasi dengan uap langsung, uap dihasilkan dala ketel uap terpisah yang dipanasi dengan kayu bakar. Dalam hal tekanan uap yang dipanaskan, dahulu orang yakin bahwa tekanan uap tinggi memberikan hasil paling baik, misalnya dengan penggunaan tekanan uap 3 sampai 4 atmosfer (diukur dalam ketel uap), tetapi akhirnya para produsen menemukan kenyataan bahwa tekanan tinggi itu memang akan menghasilkan rendemen minyak lebih besar, tetapi menurunkan mutu minyak. Sebagai pengganti tekanan 3 sampai 4 atmosfer, dianjurkan uap bertekanan 1 sampai 2 atmosfer atau ½ sampai 1atmosfer (di atas tekana atmosfer biasa). Kerugian akibat rendemen minyak yang rendah karena penggunaan uap rendah dan menghasilkan mutu minyak yang cukup baik ternyata lebih besar dari pada dengan penggunaan tekanan uap tinggi yang akan menghasilkan mutu minyak yang kurang baik. Oleh karena itu, beberapa buah pabrik destilasi masih lebih cenderung untuk menghasilkan rendemen minyak yang tinggi dari pada minyak bermutu tinggi, dengan cara menerapkan tekanan uap tinggi, atau memperlama periode destilasi.
Jika destilasi dilanjutkan dalam waktu yang cukup lama, maka seluruh minyak atsiri yang terdapat di dalam akan terdestilasi, tetapi minyak yang
dihasilkan mengandung unsur yang bernilai dalam jumlah kecil. Berdasarkan pengalaman selama bertahun-tahun, akhirnya para produsen mengetahui bahwa minyak bermutu baik dapat diperoleh dengan cara destilasi uap pada tekanan normal dan dengan membatasi proses destilasi. Kini, ketel destilasi uap yang memuat 1000 sampai 1200 kg daun dapat didestilasi dengan tekanan uap ½ sapai 1 atmosfer (di atas tekanan atmosfer, diukur dalam ketel uap), dan lama proses destilasi tidak lebih dari 3 jam. Lama destilasi tidak hanya tergantung pada tekanan uap, namun juga terhadap factor-faktor lain seperti kondisi (kadar air) bahan olah.
Uap harus dapat berpenetrasi melalui seluruh bagian bahan olah dengan tekanan yang cukup, jika tidak demikian, maka tidak akan berlangsung proses destilasi yang sempurna. Di lain pihak, bila uap bergerak melalui bahan, akan dapat membentuk jalur uap. Pada umumnya, tekanan uap dalam ketel destilasi tidak bole terlalu tinggi dengan alas an pertama, karena kebanyakan ketel destilasi tidak dapat dirancang untuk tahan pada tekanan uap tinggi ; kedua, karena minyak mengalami dekomposisi pada suhu tinggi, sebagaimana halnya komponen berbau wangi yang kontak terlalu lama dengan uap.
BAB III
DESAIN TERMAL DAN PEMBUATAN ALAT
III. 1 DESAIN TERMAL
Rumus-rumus yang digunakan dalam desain termal di bawah ini diambil dari buku J.P. Holman, Perpindahan Kalor, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1994. rumus yang diambil dari buku acuan lain akan diberi keterangan sendiri.
III. 1. 1 Kareteristik Bahan
Bahan yang didestilasi menggunakan daun nilam kering (Pogostemon
Pacthouly) yang akan menghasilkan Pacthouly Oil. Kareteristik dari bahan yang
akan didestilasi yaitu : Tabel 3.1 Kareteristik Bahan
Karakteristik Keterangan
Spesifik Grafitasi pada 25°C/25°C 0.9625
Massa Jenis pada 25°C.ρ 0.9625 x 1000 = 962.5 kg/m³
Spesifik Grafitasi. ρs = 0.9625 =
ρ/ρH2O
(acuan massa jenis air)
Kalor Spesifik Bahan 0.5 Btu/lb/°F =2093.4 J/kg.°C Kalor Laten Minyak Nilam 846 kJ/kg
Kadar Air 10 % (v/b) (ml/g)
Rendemen 1.6 % (vb/) (ml/g)
Titik Didih 257°C
Pacthouly Alcohol 32.8 – 40.55 %
(GC/Gas Chromography)
Kepadatan Bahan dalam Tangki 0.080 – 0.085 kg/ltr (standar Balittro)
III. 1. 2 Kesetimbangan Massa Asumsi Jumlah Nilam Kering / kg : Tabel 3.2 KesetimbanganMassa
(Dalam Kg)
Zat / Komposisi (Awal)
Solids Air Rendemen Uap Total
Nilam Kering 0.8846 0.1 0.0154 1 Air 3 3 Proses Nilam Kering 0.8846 - 0.1154 1 Air 1.16 1.84 3 Produk Nilam Kering 0.8846 - - - 0.8846 Air 1.16 1.16 Destilat 1.9554
Sumber Balai Peneiltian Tanaman Obat dan Aromatika (Balittro)
III. 1. 3 Kesetimbangan Kalor
III. 1.3.1 Kalor yang Dilepaskan Uap Air Karakteristik Air Destilasi
ρair : 1000 kg/m³
Luap air : 2257 KJ/kg (dari steam tables pada 100°C. 1 atm)
Cp : 4184 J/kg ºC Tair : 26ºC
Tdidih : 100ºC
Jumlah Kalor / Kilogram Uap Air = Kalor laten x massa uap air
III. 1.3.2 Kalor yamg dibutuhkan untuk Menguapkan Air dan Rendemen dalam Bahan
a. Kalor untuk Menguapkan Air / Kilogram Bahan jumlah Air / kg bahan = 0.1 kg
Kalor laten dari uap air pada 100ºC, 1 atm (Water Steam Table) = 2257 kJ Suhu awal = 29ºC
Jumlah Kalor = Kalor laten + Kalor sensible (dari 29ºC)
= (2257 kJkg x 0.1 kg) + (0.1 kg x 4.4184 kJ/kgºC) = 225.7 kJ + 29.7 kJ =255.4 kJ
b. Kalor untuk Menguapkan Rendeman / Kilogram Bahan Massa Jenis pada 25ºC, ρ = 0.9625 x 1000 = 962.5 kg/m³ Kalor laten Minyak Nilam = 846 kJ/kg (asumsi)
Tawal minyak = 30ºC
Kalore spesifik daun nilam kering 0.5 Btu/lb/ºF = 2093.4 J/kg. ºC
Jumlah kalor = Kalor laten (rendemen) + Kalor sensible bahan (dari 30ºC ke 100º) = (0.0154 kg x 846 kJ/kg) + [1 kg x 2.0934 kJ/kg.ºC x (100-30)ºC]
= 13.0284 kJ + 146.538 kJ = 159.5664 kJ ≈ 160 kJ
Kalor Total (a+b) = 255.4 kJ + 160 kJ = 415.4 kJ
III. 1.3.3 Jumlah Uap Air yang Dibutuhkan per Kilogram Bahan Kering Jumlah uap / kg bahan = 415.4 / 225.7 = 1.84 kg
Jika jumlah bahan 2 kg
Uap air yang dibutuhkan = 1.84 x 2 = 3.68 kg ≈ 3.68 liter
III. 1. 4 Desain Ketel III. 1.4.1 Konstruksi Ketel Ketel Uap
Bahan : Alumunim Alloy (a184.0.0 Cast Tempered)
Diameter : 350 mm
Kapasitas tangki bahan : 2.45 kg (nilam kering) Kepadatan bahan dalam tangki : 0.08 kg/liter
Uap air yang dibutuhkan : 8.6 liter
Uap air per jam : 1.84 liter = 1.84 kg
III. 1.4 2 Penetuan Luas Area Perpindahan Kalor Ketel a. Koefisien heat transfer proses didih
∆Τo = T permukaan panas – T didih air = 10ºc (asumsi)
• Rumus Perpidahan Kalor Didih :
Karakteristik Air dan Uap Jenuh pada 100ºC
l
C = 4216 J/kg.ºC
x
T
∆ = lebih suhu =Tw – Tjenuh = 10ºC
fg h = 2256900 J/kg s l Pr = 1.9 l µ = 0.000267 kg/m.s σ = 0.0588 N/m g = 9.8 m/s² ρl = 955.1 kg/m³ ρv = 0.5863 kg/m³ Csf = 0.013 s = 1.0 untuk air
(
955.1 0.5863)
8 . 9 1 9 . 1 2256900 013 . 0 10 4216 2256900 000267 . 0 2 . 103971 3 1 − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 33 . 0 / ( / Pr − = ∆ • • • v l c fg l sf s l fg x g g h A q C h T C ρ ρ σ µ ) ( Pr / 3 v l c s l fg sf x l fg l g g h C T C h A q ρ ρ σ µ − ∆ = • • • 240 m kW A q 16 m 102kW 2 → < 2 < = / / , / / 2 . 10391 2 m W• Penyederhanaan koefisien perpindahan kalor didih di atas permukaann pada 1 atm absolute (natural convection) :
Untuk Permukaan Horisontal
h, Btu/h·ft²·ºF = 151∆Τ0⅓ q/A, Btu/h·ft²<5000
h, W/m²·ºK = 1043∆Τ0⅓ q/A, kW/m²<16
h, Btu/h·ft²·ºF = 0.168∆Τ0³ 5000<q/A, Btu/h·ft²<75000
h, W/m²·ºK = 5.56∆Τ0³ q/A, Kw/m²<240 h = 5.56(10)³ = 5560 W/m².ºC = 5560 J/s.m².ºC b. Koefisien perpindahan kalor menyeliruh ketel (U)
Bahan : Alumunium Alloy (A 184.0, Cast or Tempered) Tebal Ketel : 1 mm
k (Konduktivitas Kalor) : 83.68 J/sec.m.ºC
l/U = (∆x/k) + (l/h) = (1.10-³/83.68) + (1/5560) = 1.92e-4 U = 1/1.92e-4 = 5208 W/m².ºC
c. Mencari Kalor yang Dibutuhkan untuk Menguapkan Air Destilasi Asumsi Laju Aliran Uap Air = 1.84 kg/jam = 5.1e-4 kg/s = 0.5 g/s Kalor yang dibutuhkan = mspesifik uap air x (kalor sensible + kalor laten)
= 5.1e-4 kg/s x [(4.184 kJ/kg ºC x (100 – 26) ºC) + 2257 kJ/kg] = 5.1e-4 kg/s x 2566.616 kJ/kg = 1.3 kJ/s = 1.3 kW
d. Mencari Luasan Perpidahan Kalor Ketel Q = U.A.∆T
1.3 kW = 3.185 kW/m² . ºC x A x 10 ºC
A = 1.3 kW / (5.208 kW / m².ºC x 10 ºC) = 0.025 m²
Luasan dasar ketel dengan diameter 0.35 m = (3.14 x 0.35²) 4 = 0.096 m² Jadi luasan dasar ketel yang ada sudah dianggap mencukupi untuk jumlah perpindahan kalor yang diperlukan untuk menguapkan air destilasi. Jumlah perpindahan kalor yang terjadi juga tergantung oleh luasan efektif dasar ketel yang terkena oleh sumber kalor.
III. 1. 5 Tebal Isolasi
a. Rugi – Rugi Kalor konveksi Bebas pada Dinding Ketel Parameter – parameter :
Suhu dinding ketel, Tw = 100ºC (asumsi) Suhu udara lingkungan, T∞ = 30ºC
g = 9.8 m/s² β = 1/338 = 0.003 1/ºC ρ = 1.041 kg/m³ cp = 1.008 kJ/kg.ºC = 1008J/kg.ºC µ = 2.02 x 105 kg/m.s k = 0.03 W/m.ºC d = 350 mm = 0.35 m Laminar,104<Grf ·Prf <10 9 4 1 42 . 1 ∆ = L T h = − = 4 1 53 . 0 30 100 42 . 1 h 4.8W/m².ºC
b. Tebal Isolasi Dinding Ketel
Bahan Isolasi : Jika menggunakan karet talang dan kaca-serat L = 0.53 m
Karet talang (karet dengan karbon hitam), k = 0.24 W/m.ºC Tebal = 0.8 mm = 0.08 cm = 0.0008 m Selubung kaca-serat, k = 86 mW/m.ºC = 0.086 W/m.²C Tebal = 1.45 cm = 0.0145 m
(
)
3 2 Pr g c T T d Grf⋅
f = p w − ∞ µκ βρ(
) (
)
3 8 5 2 10 7428 . 4 35 . 0 30 100 03 . 0 10 02 . 2 1008 041 . 1 0031 . 80 . 9 Pr − = × × =⋅
⋅
⋅
⋅
f − f Gr K C T 65 338 2 30 100 1 = ° = + =RA RB RC
Kondisi isolasi = dinding ketel karet kaca-serat karet RK = RA + RB + RC
(Isolasi Kritis)
Karena r0 aktual > dari r0 kritis, maka penambahan tebal isolasi akan mengurangi
perpindahan kalor dari dinding ketel ke lingkungan.
Rk =
(
)
(
)
(
)
L
k
d
d
L
k
d
d
L
k
d
d
C B A⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
π
+
⋅
π
+
2
π
/
ln
2
/
ln
2
/
ln
2 1 3 2 4 3 Rk =(
)
(
)
(
)
W
C
/
3
.
0
53
.
0
24
.
0
2
3806
.
0
/
3822
.
0
ln
53
.
0
086
.
0
2
3516
.
0
/
3806
.
0
ln
53
.
0
24
.
0
2
35
.
0
/
3516
.
0
ln
°
=
+
+
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
π
π
π
Rh = 1/(2 x π x r0 x L x h) = 1/(2 x3.14 x (0.3822/2) x 0.53 x 4.8) = 0.33 ºC/W Rth = Rk + Rh = 0.3 + 0.33 = 0.63 ºC/W q = (Tw - T∞)/Rth = (100-30)ºC / 0.63ºC/W = 111 WKerugian kalor konveksi bebas tanpa isolasi (dari dinding ketel) :
q = h x π x d x L x (Tw - T∞) = 4.8 x 3.14 x 0.35 x 0.53 x (100 - 30) = 195.7 W
Penurunan rugi-rugi kalor konveksi bebas dari dinding ketel = (195.7-111)/195.7 = 43.3 %
c. Rugi-rugi Kalor Konveksi Bebas pada Dinding Pipa Uap Parameter-parameter
Suhu dinding ketel, Tw = 100ºC (asumsi)
Suhu udara lingkungan, T∞= 30ºC
K C T 65 338 2 30 100 1 = ° = + =
(
)
3 2 Pr g c T T d Gr w p f f⋅
= − ∞ µκ βρ g = 9.8 m/s² β = 1/338 = 0.003 1/ºC ρ = 1.041 kg/m³ cm m h k r 0.05 5 8 . 4 24 . 0 0 = = =cp = 1.008 kJ/kg.ºC = 1008J/kg.ºC µ = 2.02 x 105 kg/m.s k = 0.03 W/m.ºC d = 350 mm = 0.35 m Laminar,104<Grf ·Prf <109 4 1 32 . 1 ∆ = L T h (silinder horizontal) = − = 4 1 53 . 0 30 100 32 . 1
h 10.3W/m².ºCd. Tebal Isolasi Dinding Uap
Bahan Isolasi : Jika menggunakan selubung kaca-serat L = 1.4 m
Selubung kaca-serat, k = 86 mW/m.ºC = 0.086 W/m.²C Tebal = 1.45 cm = 0.0145 m
Kondisi isolasi : dinding pipa uap selubung kaca-serat
00835 . 0 3 . 10 086 . 0 0 = = = h k r m = 0.835 cm (Isolasi Kritis)
Karena r0 aktual > dari r0 kritis, maka penambahan tebal isolasi akan mengurangi
perpindahan kalor dari dinding pipa uap ke lingkungan.
Rk =
(
)
(
)
= ⋅ +⋅
⋅
⋅
⋅
2 0.086 0.46 019 . 0 / 048 . 0 ln 2 / ln 2 1 π π kL d d 1.23 ºC/W Rh = 1/(2 x π x r0 x L x h) = 1/(2 x3.14 x (0.048/2) x 1.4 x 10.3) = 0.46 ºC/W Rth = Rk + Rh = 1.23 + 0.46 = 1.69 ºC/W q = (Tw - T∞)/Rth = (100-30)ºC / 1.69ºC/W = 41.42 WKerugian kalor konveksi bebas tanpa isolasi (dari dinding ketel) :
q = h x π x d x L x (Tw - T∞) = 10.3 x 3.14 x 0.019 x 1.4 x (100 - 30) = 60.22 W
Penurunan rugi-rugi kalor konveksi bebas dari dinding pipa uap = (60.22-41.42)/60.22 = 31.2 %
(
) (
)
3 8 5 2 10 7428 . 4 35 . 0 30 100 03 . 0 10 02 . 2 1008 041 . 1 0031 . 80 . 9 Pr − = × × =⋅
⋅
⋅
⋅
f − f GrIII. 1. 6 Desain Kondensor (Stainless Steel Tube)
III. 1.6.1 Kontruksi Kondensor Kondensor
Bahan Tube : Stainless Steel (Cr 16-26, ni 8-36) d1 : 11.1 mm = 0.0111 m
d0 : 12.7 mm = 0.0127 m
k = λ : 14.64 W/m.ºC
Bahan Shell : Alumunium Alloy (asumsi A184.0. Cast or Tempered) Tebal : 1 mm
Diameter : 350 mm Tinggi : 400 mm
III. 1.6.2 Menghitung Luasan Perpindahan Kalor Kondensor
• Persamaan Koefisien Perpindahan Kalor Kondensasi :
(
)
− + ≡ fg kondensat uap fg fg h T T Cp h h 1 0.68(
)
(
)
4 1 3 555 . 0 − − = w g fg v T T d h gk h µ ρ ρ ρ Diketahui : d1 = 11.1 mm = 0.0111 m k = 0.68 W/m.ºC ρf = 958.16 kg/m³ ρg = 0.6 kg/m³ hfg = 2.26 x 106 J/kg g = 9.8 m/s² µ = 2.27 x10-4 kg/m.s ∆T = Tuap – Tkondensat = (100 – 30)ºC Cp = 4217 J/kg.ºC• Persamaan KoefisienPerpindahan Kalor Konveksi di Luar Tube :
(
)
(
)
(
1)
4 4 1 1 4 6 3 1 100 10 15 . 2 \ 100 0111 . 0 10 79 . 2 10 26 . 2 68 . 0 8 . 9 6 . 0 16 . 958 16 . 958 555 . 0 T T h − = − =⋅
⋅
⋅
−⋅
⋅
⋅
µ ρ du Re = d k Nu h0 =(
0.5)
0.38 0.25 Pr Pr Pr 50 . 0 43 . 0 + = w f e R Nu untuk 1< Re <10³ Diketahui : d0 = 12.7 mm = 0.0127 m dtangki = 350 mm = 0.35 mm = 0.04 kg/s (laju aliran air pendingin)
A = 3.14 x (0.35/2)² = 0.0962m² (luas penampang tangki) T∞ = 30ºC
Sifat-sifat air pada suhu 30ºC : ρ = 995.26 kg/m³ µ = 8.03 x 10-4 kg/m.s Pr = 5.41 k = 0.62 W/m.ºC
(
)
kg J hfg 2457729 / 10 26 . 2 30 100 4217 68 . 0 1 10 26 . 2 6 6 = − + ≡⋅
⋅
(
)
(
)
36 . 749 100 0111 . 0 14 . 3 100 10 15 . 2 1 1 2 1 1 14 1 4 1 1 4 1 1 2 1 1 1 T T d h r h A h R = − − = = = =⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
π π A m u . ρ =0004 . 0 0962 . 0 26 . 995 04 . 0 = =
⋅
u m/s 3 . 6 10 03 . 8 26 . 995 0004 . 0 00127 . 0 4 = = −⋅
⋅
⋅
e R(
)
+ =⋅
w f Nu Pr Pr 41 . 5 3 . 6 50 . 0 43 . 0 0.5 0.38 asumsi w f Pr Pr = 1, sehingga(
0.43+0.50 6.30.5)
5.410.38( )
10..25 =3.2 =⋅
Nu 8 . 158 0127 . 0 62 . 0 2 . 3 0 =⋅
= h W/m².C• Tahanan temal di bagian luar per satuan panjang pipa :
0 0 0 0 0 0 1 2 1 1 d h r h A h Re
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
= = =π
π
• Tahanan termal pipa untuk setiap satuan panjang pipa :
(
)
001465 . 0 64 . 14 2 0111 . 0 0127 . 0 ln 2 ln 2 ln 1 0 1 0 = = = =⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
π π k π d d k r r Rs W/m.ºC• Mencari suhu bagian dalam dinding pipa,T1 dan bagian luar pipa T0 :
(
)
(
) (
)
0 0 0 1 R T T R T T R T T s i i uap− = − = − ∞(
)
(
)
34 0 100 098 . 1 i i T T T − − = ; ... (i) ; ...(ii)(
)
(
)
001465 . 0 100 36 . 749 T 34 Ti T0 i − = −⋅
(
)
(
T Ti)
T − − = 0 0 30 85 . 107(
)
(
)
158
.
0
30
001465
.
0
0 0=
−
−
T
T
T
i C m W / o 158 . 0 0127 . 0 14 . 3 8 . 158 1 = ⋅ ⋅ =(
)
(
)
(
)
(
)
158 . 0 30 001465 . 0 36 . 749 100 100 0 0 4 1 − = − = − − T T T T T i i i(
)
(
)
(
)
158 . 0 30 001465 . 0 100 36 . 749 34 0 0 − = − = −⋅
T Ti T T iTi dan T0 dicari dengan iterasi persamaan (i) dan (ii) : Ti = 90.5 ºC dan T0 = 98.834 ºC Maka :
(
100 99.05)
25567.953 21500 4 1 = − = i h W/m².ºC• Perpindahan Kalor Menyeluruh :
(
)
0 0 0 0 0 1 2 / ln 1 1 h kL r r A h A A U i i i + + = π(
)
0 0 0 0 0 1 2 / ln 1 1 h k d d d h d d U i i i + + = Diketahui : d0 = 0.0127 m di = 0.0111 m• Mencari Luasan Perpindahan Kalor Kondensor :
(
U
0T
log)
Q
A
∆
∗
=
fg h m Q= × 2 1 1 2 log t t t t t t T s s e LMTD − − − = ∆ Diketahui : ts =100 ºC t1 = 27ºC t2 = 40ºC(
)
W m C U 156.24 / .o 8 . 158 1 64 . 14 2 0111 . 0 / 0127 . 0 ln 0127 . 0 953 . 25567 1 0111 . 0 0127 . 0 1 2 0 = + + =⋅
⋅
m = 5 x 10-4 kg/s hfg = 2.43 x 10 6 J/kg Q = 0.0005 x 2.43 · 106 = 1220 W C T e LMTD = ° − − − = ∆ 66.3 40 100 27 100 log 27 40
(
156.24 66.3)
0.1173 1220 = ∗ = A m²Jadi luasan perpindahan kalor yang diperlukan yaitu 0.1173 m² Panjang tube yang dibutuhkan yaitu 0.1173/(3.14 x 0.0127) = 2.94 m Panjang tube dengan factor koreksi 1.2 = 2.94 x 1.2 = 3.53 m
Tabel 3.3 Hasil Perhitungan
Bagian yang dihitung Simbol Hasil Satuan
Diameter luar kondensor do 0.0127 m
Diameter dalam Kondensor di 0.0111 m
Luas penampang kondensor A 0.089 m2
Pers.koefisien perpindahan kalor
kondensasi hfg 2457729 J/kg
Tahanan termal dibagian dalam
persatuan panjang pipa Ri
36 , 749 ) 100 ( Ti1/4 − -
Pers.koefisien perpindahan kalor konveksi diluar tube
hi ) 100 ( 10 . 215 4 T − − - U 0,0004 - Re 6,3 - NU 3,2 - ho 158,8 W/m 2 .oC
Tahanan termal dibagian luar /satuan panjang pipa
Ro 0,158 W/m.
o
C Tahanan termal untuksetiap panjang
pipa
Rs 0,001465 W/m.oC
Mencari suhu bagian dalam dinding
pipa,Ti dan bagian luar pipa, To
Ti 99,55 oC
hi 25567,953 W/m
2
.oC
Perpindahan kalor menyeluruh Uo 156,24 W/m2.oC
Mencari luasan perpindahan kalor kondensor Q 1220 W ∆Tm 66,3 o C A 0,1173 m2
III. 2 PEMBUATAN ALAT
III. 2.1 Komponen-komponen Utama Alat a. Ketel Uap
Ketel uap ini merupakan tempat mendidihkan air dan kemudian menguapkannya untuk mengukus bahan baku yang ada dalam tangki bahan. Ketel ini dibuat dari bahan alumunium agar dapar menyerap kalor dengan baik, sehingga diharapkan proses penguapan air berlangsung cepat. Proses penguapan air berada dalam kondisi tekanan 0 gauge atau tekanan mutlak 1 atm.
Ketel memiliki ukuran diameter 350 mm dan tinggi 400 mm dengan ketebalan 1 mm. pinggiran ketel bagian atas dibuat kerah untuk menyangga tangki bahan baku dan juga sebagai tempat untuk perapat agar uap tidak keluar.
Air pengisi diberi batas 100 mm dari dasar ketel atau didesain dengan kapasitas ± 9.6 liter.
Kontruksi ketel dibuat dengan sambungan berupa lipatan yang dipres, kemudian pada lipatan tersebut diberi lem perapat untuk menghindari kebocoran, terutama pada pinggiran dasar ketel.
Gambar 3.1 Ketel Uap b. Tangki Bahan Baku
Tangki bahan baku juga terbuat dari bahan alumunium berukuran diameter 320 mm dan tinggi 380 mm dengan pinggiran bagian atasnya diberi kerah seperti
ketel uap sebagai tempat melekatnya gasket/perapat. Bagian dasr dibuat berlubang-lubang dengan diameter 10 mm agar uap dapat masuk ke dalam bahan baku.
Kapasitas tangki didesain untuk memuat bahan baku dengan jenis daun nilam kering maksimal 2.5 kg (volume tangki ± 30.5 liter).
Gambar 3.2 Tangki Bahan Baku
c. Penutup Ketel Uap
Penutup ketel dibuat dari alumunium yang pada bagian atasnya dibuat lubang untuk saluran keluarnya uap dari tangki bahan. Pada bagian kerahnya dibuat lubang untuk baut pengunci sebanyak 8 buah yang mengikat kerah tangki bahan dan ketel uap agar perapat dapat berfungsi dengan baik, sehingga uap tidak keluar/bocor.
Gambar 3.3 Penutup Ketel Uap
d. Pipa Ketel Uap – Kondensor
Pipa ini terbuat dari stainless steel dengan diameter ¾ inchi dan panjang 1.5 m. pipa tersebut berfungsi untuk menyalurkan uap dari ketel destilasi ke kondensor untuk dikondensasi. Pada kedua ujungnya diberi water mur ¾ inchi yang masing-masing terhubung ke lubang keluar tangki destilasi dan masuk ke kondensor.
Gambar 3.4
Pipa Ketel Uap – Kondensor
e. Tube Kondensor
Tube kondensor tebuat dari stainless steel dengan diameter ½ inchi dan
biasa digunakan untuk peralatan pendingin atau pemanas. Tube kondensor dibuat berliku-liku dalam arah vertical yang kedua ujungnya diberi nepel ½ inchi untuk disambungkan dengan pipa uap dan juga dengan kran pada saluran keluar kondensat.
Gambar 3.5 Tube Kondensor
f. Tangki Kondensor
Tangki ini terbuat dari bahan alumunium dengan ukuran diameter 350 mm dan tinggi 400 mm. Pada tangki kondensor dibuat 3 lubang, yaitu 1 lubang untuk saluran keluar air pendingin dan 2 lubang untuk saluran masuk dan keluar uap yang akan dikondensasi.
Gambar 3.6 Tangki Kondensor
g. Alat pemisah Air-Minyak Sederhana
Alat pemisah air-minyak ini dibuat sangat sederhana dengan menggunakan botol plastic, tetapi dapat berfungsi dengan baik. Alat pemisah air-minyak ini ditempatkan di bawah kran saluran keluar tube kondensor.
Gambar 3.7
III. 2. 2 Komponen-Komponen Pendukung Alat a. Mur-Baut dan Ring
Mur-baut yang digunakan yaitu ukuran no. 10 beserta 2 ringnya sebanyak 8 buah pasang yang terbuat dari besi. Mur-baut beserta ring digunakan untuk mengencangkan tutup ketel tangki bahan dan ketel uap yang telah diberi gasket/perapat.
b. Gasket / Perapat
Gasket / perapat digunanakan untuk mencegah terjadinya kebocoran uap dari ketel dan tangki bahan. Bahan yang yang digunakan adalah serat kertas dan karet dengan tebal 0,8 mm. Gasket / perapat ini dilekatkan dengan lem pada kerah bagian atas ketel uap, bagian atas- bawah kerah tangki bahan dan bagian bawah kerah penutup ketel uap.
c. Water Mur ¾"
Komponen ini terbuat dari bahan galvanis yang dipasang pada bagian tutup ketel uap dan saluran masuk aliran kondensat pada ketel kondensor yang berfungsi sebagai penyambung pipa penghubung antara ketel uap dan saluran masuk uap pada ketel kondensor.
d. Water Mur ½"
Water mur ½" ini terbuat dari stainless steel yang dipasang pada saluaran masuk dan keluar uap pada tangki kondensor yang berfungsi sebagai penyambung
tube pipa kondensor.
e. Double Nepel ¾"
Double Nepel ¾" ini terbuat dari besi kuningan yang dipasang pada tutup ketel uap dan berfungsi untuk menyambung tutup ketel dan water mur dan juga dipasang pada sisi uap masuk tangki kondensor yang berfungsi untuk menyambung water mur dan knee derat.
f. Nepel ½" - ¾"
Komponen ini dipasang pada dinding ketel kondensor yang berfungsi sebagai penyambung antara water mur ½" dan knee derat ¾" pada saluran uap masuk.
g. Nepel Selang ¾"
Nepel Selang ¾" ini dipasang pada kedua ujung tube kondensor dan berfungsi sebagai penyambung tube kondensor ke water mur.
h. Nepel Sok ¾"
Komponen ini dipasang pada kedua ujung pipa penghubung ketel uap dan ketel kondensor yang berfungsi sebagai penyambung antara pipa penghubung dengan water mur.
i. Knee Derat ¾"
Knee Derat ¾" berfungsi untuk menyambung double nepel ¾" dan nepel ½" - ¾" dan dipasang pada sisi uap masuk kondensor.
Gambar 3.8
j. Kran Air
Kran air dipasang pada bagian keluar air pendingin dari tangki kondensor, dan pada bagian keluarnya kondensat dari tube kondensor untuk mengarahkan
kondensat tersebut ke botol atau wadah penampung, serta digunakan pula pada bagian keluar air kondensat dari alat pemisah air-minyak.
h. Thacometer
Alat ini dipasang pada dinding tangki bahan baku yang berfungsi untuk mengetahui suhu didih air pada tangki bahan baku.
Gambar 3.9 Thacometer
BAB IV
PROSES DESTILASI DAN ANALISA
IV.1 PROSES DESTILASI IV.1.1 Sumber Kalor
Untuk melakukan destilasi dengan metode uap dan air diperlukan sumber kalor untuk mendidihakan air dan menguapkannya. Pada pengujian alat destilasi minyak atsisi ini digunakan bahan bakar minyak tanah untuk mengubah air dalam ketel menjadi uap dengan jumlah yang telah diperkirakan sebelumnya dalam proses desain alat.
IV. 1.1.1 Miyak Tanah
Minyak tanah merupakan bahan bakar yang cukup banyak digunakan oleh masyarakat karena cukup praktis penggunaannya dengan memakai kompor sumbu, dan harganya lebih murah dibanding bahan bakar minyak lainnya atau gas elpiji. Walaupun pada saat-saat ini harganya cenderung naik. Dengan menggunakan kompor, nyala api pada proses destilasi dapat dikontrol besar kecilnya dan cukup stabil penyalaannya dibanding briket batu bara, embuataserta sewaktu-waktu dapat dimatikan dan dinyalakan kembali dengan cepat. Dengan cenderung menaiknya harga bahan bakar minyak sangat berpengaruh terhadap dunia industri, terutama yang berskala besar. Oleh karena itu, perlu dipertimbangkan penggunaannya berdasarkan besar kecilnya proses yang berlangsung.
IV. 1.2 Bahan Destilasi
Bahan destilasi yang digunakan berupa daun nilam kering dan juga termasuk batangnya dengan komposisi yang lebih sedikit. Untuk bahan yang berupa rumpu-rumputan harus diberikan proses awal yaitu pemotongan bahan menjadi ukuran kecil agar bahan dapat masuk ke dalam tangki bahan lebih optimal tanpa membentuk rongga-rongga yang cukup besar sehingga uap dapat
berpenetrasi ke dalam bahan lebih lama. Untuk bahan yang dapat didestilasi dalam kondisi kering, dilakukan proses pengeringan dengan menjemur bahan di bawah sinar matahari dalam waktu yang tidak terlalu lama (sinar matahari di bawah jam 12 siang) atau dengan menggunakan alat pengering agar kadar air yang terdapat di dalamnya berkurang, sehingga uap akan lebih menyerap ke dalam daun.
IV. 1.3 Langkah – langkah Proses Destilasi
Sebelum melakukan proses destilasi, terlebih dahulu harus dipersiapkan peralatan-peralatan terutama untuk mengalirkan air pendingin dari sumbernya dan juga pembuangan air pendingin. Untuk itu hal-hal yang perlu diperhatikan yaitu :
IV.1.3.1 Persiapan Alat a. Tempat
Alat destilasi sedapat mungkin diletakkan pada tempat yang dekat dengan sumber air dan saluran pembuangan air pendingin serta terlindung dari hujan dan angin agar proses destilasi tidak terganggu.
b. Mengisi Air Destilasi
Air destilasi diisi ke dalam ketel sampai batas yang ada pada dinding ketel. Apabila air destilasi diisi melampaui batas tersebut, maka akan memperlama proses penguapan dan air akan mengenai bahan yang berada pada dasar tangki bahan.
c. Memasukkan Bahan.
Bahan dimasukkan ke dalam tangki bahan dengan terlebih dahulu menimbangnya dan kemudian tadak menekan terlalu padat agar uap dapat berpenetrasi dengan baik.
Kemudian setelah dimasukkan ke dalam tangki bahan, tangki bahan tersebut dimasukkan ke dalam ketel uap dan ditutup rapat serta menguncinya dengan mur-baut sampai benar-benar kencang agar uap tidak keluar dari ketel ke linkungan.
d. Mengatur Posisi Ketel Uap dengan Kondensor
Setelah tutup ketel dikunci dengan mur-baut sampai rapat, ketel diletakkan di atas sumber kalor, contohnya di atas kompor, dengan mengatur posisinya dengan kondensor agar pipa uap dari ketel ke kondensor dapat dipasang dengan baik. Setelah dipengaturan posisi ketel dilakukan, maka sumber kalor dinyalakan untuk memanaskan ketel.
e. Memasang Pipa Uap Ketel – Kondensor
Pipa uap ketel-kondensor dipasang pada sisi keluar uap di atas tutup ketel dan pada sisi masuk uap ke kondensor. Pada kedua ujung dari pipa uap ketel-kondensor, sebelum dikencangkan derat water mur harus diberi seal tape.
f. Memasukan Air Pendingin Ke Dalam Tangki Kondensor
Setelah pipa uap ketel-kondensor dipasang, air pendingin dimasukkan ke dalam tangki kondensor sampai seluruh tube kondensor terendam air. Sedangankan pada bagian keluar air pendingin dipasang kran. Pada saat ini kran untuk keluar air pendingin ditutup dahulu sampai air pendingin tiba saatnya untuk diganti.
IV.1.3.2 Proses Pendidihan Air
Dalam proses pendidihan air dalam ketel berlangsung kurang lebih 50-60 menit dengan api kompor yang stabil. Tekanan dalam ketel yang digunakan pada proses ini adalah 0 gauge, sehingga air dalam ketel diharapkan akan mendidih pada suhu 100°C.
IV.1.3.3 Proses Kondensasi
Proses kondensasi terjadi setelah proses destilasi berlanngsung kurang lebih selama 1 jam. Indikasi jika kan terjadi proses kondensasi yaitu apabila sudah terjadi perpindahan kalor dari tube kondensor ke air pendingin dengan terlihatnya kenaikan suhu pada alat pengukur suhu. Apabila terjadi kenaikan suhu air pendingin yang cukup tinggi, maka air pendingin harus diganti.
IV.1.3.4 Proses Penampungan Kondensat
Setelah terjadi proses kondensasi dengan menetesnya air kondensat ke dalam alat penampung, maka kondensat tersebut semakin lama memenuhi alat penampung dan terlihat pemisahan antara minyak dan air karena adanya perbedaan massa jenis. Minyak dengan massa jenis yang lebih kecil dari massa jenis air berada di atas dan komponen-komponen lain yang ikut terdestilasi dengan massa jenis yang lebih besar dari air akan turun ke dasar penampung. Untuk destilasi daun nilam kering, terlihat pada hasil kondensat di atas air, pada kondisi normal, semakin lama terlihat berwarna kuning kecoklatan dan menimbulkan wangi aroma yang khas. Medode penampungan terdapat beberapa jenis, di antaranya yaitu dengan alat penampung yang pada bagian atasnya memiliki saluran untuk mengalirkan minyak yang sudah terkumpul di atas air langsung ke tempat penampungan yang berbeda apabila tinggi kondensat sudah mencapai sisi keluar saluran tersebut. Metode yang lain yaitu dengan membiarkan minyak terkumpul di atas air dalam alat penampung sampai proses destilasi selesai, kemudian kondesat dituangkan ke pemisah air dan minyak.
Gambar 4.1
Penampung Air Kondensat
IV.1.3.5 Proses Pengambilan Minyak
Setelah kondensat sudah berada dalam alat penampung sampai proses destilasi selesai, minyak yang berada di atas air dikeluarkan dengan menggunakan
pipet ukur untuk dipindahkan ke dalam wadah sempel sambil mengukur volume minyak yang dipindahkan.
Gambar 4.2 Minyak Hasil Destilasi
IV.1.4 Proses Pengambilan Data Operasi
Untuk mengetahui kondisi kerja alat destilasi minyak atsiri, maka dilakukan percobaan-percobaan untuk mengambil data-data operasi yang akan memberikan gambaran kinerja alat tersebut . Parameter-parameter yang diambil dalam percobaan yaitu :
a. Air Destilasi Awal dan Akhir
Pada awal proses destilasi, air destilasi dalam ketel diukur ketinggiannya dari dasr ketel dan begitu juga setelah proses destilasi selesai. Ketinggian air destilasi yang diukur dikonversi menjadi besaran volume dalam satuan liter.
b. Waktu Proses Destilasi
Waktu proses destilasi didapatkan dengan mencatat jam pada saat proses destilasi dimulai dan juga pada saat proses destilasi selesai.
c. Berat Bahan
Sebelum melakukan proses destilasi terlebih dahulu bahan ditimbang untuk mengetahui jumlah bahan yang akan dimasukkan ke dalam tangki bahan.
d. Jumlah Bahan Bakar
Jumlah bahan bakar diketahui dengan mengukur tingi minyak tanah dari dasr penampung pada saat awal dan akhir proses destilasi, kemudian dengan mengetahui diameter penampung dapat diketahui volume minyak tanah dalam penampung.
e. Suhu Lingkungan
Suhu lingkungan diukur di sekitar alat destilasi.
f. Suhu Air Destilasi
Suhu air destilasi diukur sebelum dilakukan proses pemanasn.
g. Laju Aliran Air Pendingin
Laju aliran air pendingin diukur dengan menghitung jumlah volume air dalam liter yang keluar dari tangki kondensor dan ditampung dalam wadah takaran per satuan waktu, sehingga akan didapat laju aliran air pendingin dalam liter/jam.
h. Laju Air Kondensat
Laju air kondensat diukur pada saat uap air dan minyak mulai terkondensasi dengan mencatat kenaikan kondensat pada alat penampung sampai batas tertentu dan mencatat lamanya waktu yang diperlukan dalam proses tersebut. Ketika kondensat yang dihasilkan tidak mengalami kenaikan lagi dalam alat penampung/sudah mencapai level konstan, maka laju air diukur pada saat kondisi tersebut tercapai sampai selesai proses destilasi dengan menghitung banyaknya air kondensat dalam ember yang keluar dari alat penampung selama proses tersebut berlangsung.
i. Jumlah Minyak yang Dihasilkan
Minyak diambil dalam alat penampung dengan menggunakan pipet sambil mengukur volumenya dan kemudian dimasukkan ke adalam wadah sampel.
