41
BAB III ROTARY DRYER 3.1. 1.
Tujuan Percobaan Mempelajari performance rotary dryer berdasarkan perubahan kandungan air
2. 3.2.
dan efisiensi rotary dryer pada kondisi operasi yang berbeda Membuat material balance dan heat balance Tinjauan Pustaka Rotary dryer atau yang disebut juga pengering putar adalah jenis pengering
industri yang digunakan untuk mengurangi atau meminimalkan cairan atau kelembaban suatu materi seperti batu bara, bubur batubara, limbah industri, tanah liat dan lain sebagainya. Pengering rotary ini secara luas biasanya digunakan dalam bahan bangunan, metalurgi, dan industri kimia. Proses penangananya secara umum adalah dengan memproses suatu materi didalam tabung silinder yang dapat berputar dan dikontakan langsung dengan gas panas. Silinder putar tersebut diposisikan miring sehingga ujung pengeluaran hasil lebih rendah dari ujung umpan masuk, dengan tujuan mempercepat penyampaian materi masuk dalam pengering bawah.
Gambar 3.1. Strukur rotary dryer
Secara umum rotary dryer dapat diklasifikasikan sebagai direct, indirect-direct, indirect, and tipe special. Klasifikasi ini tergantung oleh metode transfer panas yang terjadi antara bahan padat dengan aliran gasnya. Untuk “direct” berarti panas yang ditambahkan atau dipindahkan kebahan padat pertukarannya dilakukan secara langsung
42
antara aliran gas dengan bahan padatnya. Sedangkan “indirect“ berarti transfer panas tidak dilakukan secara langsung tetapi melalui suatu perantara yaitu dinding silinder (baja) sehingga nantinya akan terjadi kontak panas antara bahan padat dengan dinding baja. Klasifikasi diatas dapat dijelaskan sebagai berikut: 1. Direct heat, counter current flow
Untuk material yang akan dipanaskan pada temperatur tinggi, eperti mineral, pasir, tanah liat (clays), batu gamping (limestone) dan sebagainya. Gas yang digunakan untuk proses pengeringan bisa digunakan flue gas. Untuk substansi yang tidak bisa dipanaskan secara berlebihan produk seperti bahan kimia yang berupa kristal, seperti NH4SO4 dan gula tebu dapat dipanaskan dengan menggunakan udara panas. 2. Direct heat, concurrent flow Pengering jenis ini dapat mengeringkan zat padat dengan flue gas tanpa adanya kontaminasi tetapi zat yang dikeringkan tersebut tidak bisa dipanaskan pada temperatur tinggi karena akan menimbulkan kerusakan. Material yang bisa dikeringkan dengan cocurrent-flow dryer meliputi: gypsum, besi pirit, dan bahan organik seperti peat, alfalfa. 3. Indirect heat, counter current flow Pengering jenis ini dapat digunakan untuk mengeringkan zat padat seperti pigmen putih pada temperatur tinggi tetapi sisa yang keluar harus dikontakan dengan flue gas. Suatu konstruksi alternatif yaitu pengering ditutup dengan batu bata yang dikelilingi oleh flue gas panas. Aliran udara masuk secara konduksi melalui Shell atau tube pusat dan padatan akan dihancurkan menjadi debu sehingga akan lebih mudah ditangani. Untuk padatan yang tidak bisa dipanaskan pada temperatur tinggi, indirect heat memerlukan cattle feed. 4. Direct-indirect Operasi direct-indirect dryer lebih ekonomis daripada jenis pengering yang lain. Pengering ini dapat digunakan untuk mengeringkan zat padat pada temperatur tinggi dengan flue gas. Dalam pengering ini gas panas masuk pada tengah-tengah tube pada 650-980°C. untuk keadaan dingin pada temperatur 200-480°C disaluran pertama melalui pengering dan dikembalikan melalui pengering kecepatan tinggi. Selanjutnya dikeluarkan pada temperature antara 60-70°C. zat padat yang dapat dikeringkan dengan direct-indirect dryer meliputi: lignite, coal dan coke.
43
Prinsip kerja dari Rotary dryer atau pengering putar adalah sebagai berikut: 1. Bahan dimasukkan kedalam silinder yang berputar kemudian bersamaan dengan itu aliran panas mengalir dan kontak dengan bahan. 2. Didalam drum yang berputar terjadi gerakan
pengangkatan
bahan
dan
menjatuhkannya dari atas kebawah sehingga kumpulan bahan basah yang menempel tersebut terpisah dan proses pengeringan bisa berjalan lebih efektif. Pengangkatan memerlukan desain yang hati-hati untuk mencegah dinding yang asimetri. 3. Setelah itu bahan bergerak dari bagian ujung dryer keluar menuju bagian ujung lainnya akibat kemiringan drum. Posisi miring ini tujuannya yaitu untuk mempercepat penyampaian materi melalui pengering di bawah gravitasi. 4. Bahan yang telah kering kemudian keluar melalui suatu lubang yang berada dibagian belakang pengering drum. 5. Sumber panas didapatkan dari gas yang diubah menjadi uap panas dengan cara pembakaran. Pengeringan (drying) merupakan penghilangan air dari bahan proses maupun zat lainnya. Pengeringan juga bertujuan untuk menghilangkan air, benzene atau pelarut organik dari padatannya (Geankoplis, 1993). Pengeringan (drying) berarti pemisahan sejumlah kecil air atau zat cair lain dari suatu bahan, sehingga mengurangi kandungan zat cair. Pengeringan biasanya merupakan langkah terakhir dari sederetan operasi dan hasil pengeringan biasanya lalu siap untuk dikemas (Mc. Cabe, 1993). Tujuan pengeringan adalah mengurangi kadar air bahan sampai batas di mana perkembangan mikroorganisme dan kegiatan enzim yang dapat menyebabkan pembusukan terhambat atau terhenti. Dengan demikian bahan yang dikeringkan dapat mempunyai waktu simpan yang lama (Nirma, 2014). Faktor yang mempengaruhi pengeringan ada 2, yakni: - Faktor yang berhubungan dengan udara pengering yaitu suhu, kecepatan volumetrik -
aliran udara pengering dan kelembaban udara. Faktor yang berhubungan dengan sifat bahan yaitu ukuran bahan, kadar air awal dan tekanan parsial dalam bahan (Anonim, 2011). Prinsip dasar proses pengeringan adalah penguapan air dari bahan ke udara
sekeliling karena adanya perbedaan kandungan air antara bahan dan udara. Selama pengeringan terjadi dua proses yang berjalan simultan, yakni: -
Perpindahan panas dari udara ke dalam bahan sehingga air yang ada pada bahan
-
mengalami perubahan menjadi fase uap Perpindahan massa uap air dari permukaan bahan ke udara pengering sekelilingnya (Anonim, 2011).
44
Jenis-jenis alat pengeringan (dryer) sebagai berikut: - Tray Dryer Tray dryer merupakan salah satu alat pengering yang tersusun dari beberapa buah tray di dalam satu rak.Tray dryer sangat besar manfaatnya bila produksinya kecil, karena bahan yang akan dikeringkan berkontak langsung dengan udara panas. Namun alat ini membutuhkan tenaga kerja dalam proses produksinya, biaya operasi mahal, sehingga alat ini sering digunakan pada pengeringan bahan-bahan yang -
bernilai tinggi. Vacum-shelf indirect dryers Vacum-shelf indirect dryers adalah pengering batch pemanas yang tidak seperti tray dryer seperti pengering berisi sebuah ruang yang terbuat dari besi tua atau plat baja dipanaskan dengan pintu-pintu yang kuat sehingga bias dioperasikan di bawah vakum. Rak-rak berlubang yang terbuat dari baja dikencangkan secara permanen di dalam ruang dan dihubungkan sejajar dengan kepala uap masuk dan uap keluar.Tray-tray yang mengandung padatan yang akan dikeringkan sisanya di atas rak-rak berlubang. Pengering-pengering ini digunakan untuk mengeringkan bahanbahan mahal atau material sensitive yaitu material yang mudah teroksidasi, maka mereka berguna untuk menangani bahan-bahan beracun atau pelarut yang mahal.
Gambar 3.2.Tray or shelf dryers
-
Continous tunnel dryer Continous dryer disebut juga truck tumpah atau komparedment tray dioperasikan secara seri. Bahan padat ditempatkan di atas tray atau truck yang bergerak searah continue melewati suatu terowongan dengan gas panas mengalir di atas permukaan masing-masing tray. Udara oanas dapat mengalir secara berlawanan (counter current), searah atau kombinasi keduanya. Biji-bijian basah dibawa dalam bentuk lapisan setebal 25-150 mm diatas saringan atau diatas lubang-lubang sementara udara panas dihembuskan dari atas atau dari bawah. Pengering ini terdiri dari beberapa bagian yang disarikan. Masing-masing bagian dilengkapi dengan fan dan coil pemanas, udara yang dikeluarkan ke atmosfir oleh fan.
45
Gambar 3.3. Continoustunnel dryer, (a) tunnel dryer trucks with counter-current air flow, (b) through-circulation screen conveyor dryer
-
Drum dryer Terdiri dari gulungan logam panas yang berputar. Pada bagian luar terjadi penguapan lapisan tipis zat cair atau lumpur untuk dikeringkan. Padatan kering dikeluarkan dari gulungan yang putarannya lebih diperlambat. Drum dryer sangat cocok untuk penanganan lumpur atau padatan yang berbentuk pasta atau suspense serta untuk bermacam-macam larutan. Bagian drum berfungsi sebagai suatu evaporator. Beberapa variasi dari jenis drum tunggal adalah drum yang berputar dengan umpan masuk diatas atau bagian bawah kedua drum tersebut.
Gambar 3.4. Drum dryer
-
Spray dryer Pada proses dengan menggunakan spray dryer, liquid atau larutan slurry disemprotkan ke dalam tempat yang dialirkan gas-gas panas berupa titik-titik berkabut, air dengan cepat diuapkan dari droplet menuju partikel padat yang disemprotkan kepada aliran gas panas tadi. Aliran gas dan cairan di dalam spray yang dialirkan secara co-counter, counter-current dan kombinasi keduanya. Tetesan yang terbentuk tadi selanjutnya di umpankan dengan spray nozzle atau cakram spray dengan kecepatan tinggi yang berputar di dalam kamar-kamar silinder. Hal ini dapat
46
menjamin bahwa tetesan-tetesan air dan partikel padatan basah tidak bercampur dan permukaan padatan tidak kaku sebelum sampai ketempat pengeringan, setelah itu baru digunakan chamber yang besar. Padatan kering akan keluar dibawah chamber melalui screw conveyor. Kemudian gas dialirkan dengan cyclone separator agar proses dapat berlangsung dengan baik.
Gambar 3.5. Spray dryer
-
Rotary dryer Rotary dryer terdiri dari sebuah silinder berlubang yang berputar. Padatan yang basah diumpankan ke bagian atas, umpan bergerak melalui shell. Pemanasan dilakukan dengan kontak secara langsung, dalam hal lain, panas dikontakkan secara tidak langsung melalui dinding silinder yang telah dipanaskan (Geankoplis, 1993).
Gambar 3.6.Rotary Dryer
Pengering berputar (rotary dryer) terdiri dari sebuah selongsong berbentuk silinder yang berputar secara horizontal atau sedikit miring ke bawah, umpan basah masuk melalui ujung silinder dan bahan kering keluar dari ujung yang satu lagi.Pada saat selongsong berputar, sayap-sayap di dalam mengangkat zat padat tersebut dan menyiramkannya ke bawah melalui bagian dalam selongsong.Pengering berputar (rotary dryer) yang ada, dipanaskan melalui kontak langsung gas dengan zat padat,
47
dengan gas panas yang mengalir melalui mantel luar atau dengan uap kondensasi melalui alat yang dipasang pada permukaan dalam selongsong (Anonim, 2011). Kadar air atau moisture content adalah jumlah air yang terkandung dalam suatu bahan. Kadar air dari padatan bisa akan mengalami penurunan selama proses pengeringan berlangsung, yang kemudian akan menurunkan densitasnya. Humidity atau kelembaban (H) dari campuran uap air-air yang didefinisikan sebagai kg uap air yang terkandung dalam 1 kg udara kering. Kelembabanhanya tergantung pada tekanan parsial pA uap air di udara dan pada tekanan total P. .............................................(3.1) Saturation humidity (HS) atau udara jenuh yaitu udara dengan uap air yang berkesetimbangan dengan air pada tekanan dan temperatur tertentu.Dalam campuran ini, tekanan campuran uap air dalam campuran udara-air adalah sama dengan tekanan uap air murni (pAS) pada suhu tertentu. ...........................................(3.2) Percentage humidity (HP) yaitu rasio perbandingan antara actual humidity (H) dengan saturation humidity (HS) di kali 100 pada tekanan dan suhu yang sama ..................................................(3.3) Percentage relative humidity, yaitu rasio tekanan parsial uap air dalam udara (P A) dan tekanan uap murni (PAS) di kali 100. ................................................(3.4) HR ≠ HP, jika HP dalam tekanan parsial, maka perhitungannya menggunakan gabungan dari (3.1), (3.2) dan (3.3). Dimana: P
= tekanan (atm atau Pa)
pA = tekanan parsial uap air di udara (atm atau Pa) pAS = tekanan parsial uap air murni (atm atau Pa) (Geankoplis, 1993) Keuntungan dilakukan proses pengeringan yaitu:
48
-
Mengurangi kadar air bahan sampai batas dimana terjadinya perkembangan mikroorganisme dan kegiatan enzim yang dapat menyebabkan pembusukan terhambat atau terhenti sehingga bahan yang dikeringkan dapat mempunyai waktu simpan yang lebih lama (lebih awet)
-
Karena volumenya kecil, maka akan mempermudah dan menghemat ruang penyimpanan saat pengepakan
-
Lebih ringan karena volume air dalam bahan semakin sedikit, sehingga memudahkan pengangkutan
-
Biaya produksi menjadi lebih murah.
Kerugian dilakukannya proses pengeringan, yaitu: -
Terjadinya perubahan pada struktur, tekstur dan tampilan bahan pada bahan
-
Terjadi perubahan pada sifat fisik: rasa, aroma, warna
-
Terjadi penurunan mutu (Anonim, 2011). Rumus-rumus yang digunakan dalam perhitungan rotary dryer, yaitu sebagai
berikut: -
Menghitung moisture content feed (Mf) dan produk (Mp) .........................(3.5)
-
Menghitung rate feed (mf) ................................................(3.6)
-
Menghitung rate produk (mp) ......................(3.7)
-
Menghitung berat solid kering masuk ...........................................................................(3.8) Dimana: Msf
= berat solid kering masuk (kg solid kering feed/menit)
49
-
Mf
= moisture content feed (kg air/kg solid kering)
mf
= rate feed (kg/m3 menit)
Menghitung berat air di dalam feed (Maf) ..........................................................................(3.9) Dimana: Maf = berat air dalam feed (kg air/menit)
-
Mf
= moisture content feed (kg air/kg solid kering)
Msf
= berat solid kering masuk (kg solid kering feed/menit)
Menghitung berat solid kering keluar (Msp) ..........................................................................(3.10) Dimana: Msp = berat solid kering keluar (kg solid kering produk/menit)
-
Mp
= moisture content product (kg air/kg solid kering)
mp
= rate produk habis (kg solid kering feed/menit)
Menghitung berat air dalam produk (Map) .........................................................................(3.11) Dimana: Map = berat air dalam produk (kg air/menit) Msp = berat solid kering keluar (kg solid kering produk/menit) Mp
-
= moisture content product (kg air/kg solid kering)
Menghitung velocity massa solid kering ............................................................................(3.12) Dimana:
-
SS
= velocity massa solid kering (kg/m2 menit)
Msf
= berat solid kering masuk (kg solid kering feed/menit)
mf
= rate feed (kg/m3 menit)
D
= diameter dryer (m) (Anonim, 2013)
Menghitung Hold Up pada saat tidak ada aliran udara
50
......................................................(3.13) Dimana: (Ø)Do = hold up pada saat aliran udara nol
-
ñs
= massa jenis solid (kg/m3)
SS
= velocity massa solid kering (kg/m2 menit)
S
= slope dryer
N
= kecepatan putaran (rpm)
D
= diameter dryer (m)
Menghitung konstanta properti solid .......................................................................(3.14) Dimana:
-
K
= konstanta property solid
ñs
= massa jenis solid (kg/m3)
dp
= diameter partikel solid
Menghitung Hold Up ............................................................(3.15) Dimana: (Ø)D = hold up solid (Ø)Do = hold up pada saat aliran udara nol
-
K
= konstanta property solid
SS
= velocity massa solid(kg/m2 menit)
Menghitung waktu tinggal ........................................................................(3.16)
51
Dimana: è
= waktu tinggal (menit)
Z
= panjang dryer (m)
(Ø)D = hold up solid
-
SS
= velocity massa solid (kg/m2 menit)
ñs
= massa jenis solid (kg/m3)
Menghitung wet-bulbdepression ............................................................(3.17) Dimana: tG – tW = wet-bulb depression (oC)
-
ëW
= panas laten pada wet-bulb temperature (kJ/kg)
Y’W
= humidity pada wet bulb (kg air/kg udara kering)
Y’
= humidity (kg air/kg udara kering) (Treybal, 1980)
Menghitung koefisien humidity SS = 1.005 + 1.88 H ...............................................................(3.18) Dimana:
-
CS
= koefisien humidity
H
= humidity (kg air/kg udara kering)
Menghitung Entalpi udara di dalam rotary dryer HG = CS (TG1 – To) + H × ëo ...................................................(3.19) Dimana:
-
HG
= Entalpi gas (kJ/kg udara kering)
CS
= koefisien humidity
TG1
= Suhu gas masuk (K)
To
= Suhu referensi (K)
ëo
= panas laten (kJ/kg)
H
= humidity (kg air/kg udara kering)
Menghitung Entalpi udara keluar
52
HG2 = CS (T – To) + H × ëo .....................................................(3.20) Dimana: HG2 = Entalpi gas keluar (kJ/kg udara kering)
-
CS
= koefisien humidity
T
= Suhu gas keluar (K)
To
= Suhu referensi (K)
ëo
= panas laten (kJ/kg)
H
= humidity (kg air/kg udara kering)
Menghitung Entalpi feed masuk HS1 = Cp pasir (Tf – To) + Mf×Cp air (Tf – To)........................(3.21) Dimana: HS1 = Entalpi feed masuk (kJ/kg solid kering)
-
Cp
= koefisien transfer panas (kJ/kg K)
Tf
= suhu feed masuk (K)
To
= suhu referensi (K)
Mf
= moisture content feed (kg air/kg solid kering)
Menghitung Entalpi produk HS2 = Cp pasir (Tp – To) + Mp× Cp air (Tp – To)......................(3.22) Dimana: HS2 = Entalpi produk keluar (kJ/kg solid kering)
-
Cp
= koefisien transfer panas (kJ/kg K)
Tp
= suhu produk keluar (K)
To
= suhu referensi (K)
Mf
= moisture content product (kg air/kg solid kering) (Geankoplis, 1993)
Menghitung kalor udara masuk ..............................(3.23)
-
Menghitung kalor udara keluar ...............................(3.24)
53
-
Menghitung kalor produk masuk ...............................(3.25)
-
Menghitung kalor produk keluar ...............................(3.26)
-
Menghitung effisiensi thermal ............................(3.27)
-
Menghitung effisiensi rotary dryer(Anonim, 2013) .........(3.28)
3.3. A.
B. 3.4. A.
B.
Variabel Percobaan Variabel tetap: - Slope : 0,125o - Volume air : 1000 ml - Temperatur : 60 oC - Kecepatan putaran : 8 rpm Variabel berubah: - Berat feed : 10 kg, 20 kg Alat dan Bahan Alat-alat yang digunakan: - Barometer - Beakerglass - Cawan - Ember - Meteran - Oven - Pengaduk - Set rotary dryer - Stopwatch - Termometer - Timbangan Bahan-bahan yang digunakan: - Air (H2O) - Pasir
54
3.5.
Prosedur Percobaan - Menjalankan rotary dryer dengan mengkontakkan switch motor blower, -
motor dryer dan LPG burner Mencampurkan feed dengan air kemudian mengaduknya sampai rata Mengukur temperature serta menimbang sampel untuk menganalisa
-
moisture content dari feed Mengatur variabel slope dan kecepatan rotary dryer sesuai dengan run yang
-
telah ditentukan Memasukkan feed basah dengan satu variabel bukaan untuk satu variabel kecepatan putar apabila suhu mencapai keadaan steady state (thermometer
-
ke 6 sudah mencapai suhu variabel) Mengukur temperature dry bulb, wet bulb dan humidity untuk udara masuk dan keluar, mengukur suhu produk yang keluar serta membaca thermometer di sepanjang rotary dryer (8 buah termometer) pada setiap awal proses,
-
selang 5 menit sekali setelah produk pertama kali keluar hingga feed habis Metode pengeringan untuk mengetahui moisture content dari feed dan produk dengan cara: a. Menimbang 400 gram feed basah, mengeringkannya dalam oven selama 15 menit pada temperatur 200 oC dan mendinginkannya selama 15 menit kemudian menimbangnya b. Menimbang 400 gram produk (pasir yang keluar dari rotary dryer) dan mengeringkannya dalam oven selama 15 menit pada temperatur 200 oC kemudian mendinginkannya selama 15 menit, kemudian menimbangnya.
55
56
57
58
