BAB I

LANDASAN TEORI

1.1 Tujuan Percobaan

Tujuan percobaan ini dilaksanakan adalah

a. Mengetahui mekanisme pengeringan dengan membuat kurva karakteristik

pengeringan pada kondisi operasi pengeringan tertentu

b. Menentukan periode-periode laju pengeringan

c. Menentukan titik kritis

d. Menentukan kadar air kesetimbangan

e. Menentukan laju pengeringan pada periode laju pengeringan konstan

1.2 Landasan Teori

Pengeringan merupakan kegiatan mengubah suatu material berbentuk padatan,

semi-padatan, ataupun cairan menjadi produk berbentuk padatan melalui penguapan

cairan didalamnya ke fase uap dengan penambahan panas (Siagian, 2008). Pengeringan

termasuk salah satu satuan operasi teknik kimia yang paling tua dan paling tersebar. Pada

kasus khusus seperti pengeringan beku, pengeringan terjadi dengan penyubliman fase

padat langsung ke fase cairan. Perubahan fase dan pembentukan fase padat sebagai hasil

akhir merupakan ciri penting dari pengeringan (Siagian, 2008). Pengeringan berbagai

material diperlukan untuk memenuhi beberapa kebutuhan seperti:

1. Kebutuhan untuk mempermudah penanganan material padatan yang dapat mengalir

bebas

2. Pengawetan dan peyimpanan

3. Mendapatkan mutu hasil yang diinginkan

4. Mempermudah transportasi karena volume bahan mengecil (Siagian, 2008)

Sebuah material padat basah yang dikenai pengeringan termal mengalami 2

mekanisme yang berlangsung secara bersamaan, yaitu:

1. Transfer ataupun perpindahan panas dari lingkugan sekitar untuk menguapkan

kelembapan permukaan

2. Perpindahan massa (pepindahan kelembapan internal ke arah permukaan padatan dan

penguapan lanjutan karena proses awal)

(Siagian, 2008)

1.2.1 Prinsip Pengeringan

Dasar pengeringan adalah terjadinya penguapan air ke udara karena perbedaan

kandungan uap air antara udara dengan bahan yang dikeringkan. Dalam hal ini,

kandungan uap air udara lebih sedikit atau udara mempunyai kelembaban nisbi yang

rendah sehingga terjadi penguapan. Kemampuan udara membawa uap air bertambah

besar jika perbedaan antara kelembaban nisbi udara pengering dengan udara sekitar

bahan semakin besar (Yusra, 2011).

Salah satu faktor yang mempercepat proses pengeringan adalah kecepatan angin

atau udara yang mengalir. Udara yang tidak mengalir menyebabkan kandungan uap

air di sekitar bahan yang dikeringkan semakin jenuh sehingga pengeringan semakin

lambat (Yusra, 2011). Tujuan pengeringan untuk mengurangi kadar air bahan sampai

batas perkembangan organisme dan kegiatan enzim yang dapat menyebabkan

pembusukan terhambat atau bakteri terhenti sama sekali. Dengan demikian bahan yang

dikeringkan mempunyai waktu simpan lebih lama (Yusra, 2011)

.

1.2.2 Faktor yang Mempengaruhi Pengeringan

Faktor-faktor yang mempengaruhi proses pengeringan terbagi menjadi faktor

ekternal dan faktor internal. Faktor eksternal berpengaruh pada saat benda padatan msih

ditutupi oleh lapisan air bebas di permukaannya. Pada kondisi ini variabel eksternal yang

paling penting antara lain adalah humiditas, temperatur, laju dan arah aliran, bentuk fisik

dari padatan dan agitasi yang diinginkan (Siagian, 2008). Faktor eksternal mempengaruhi

penguapan pada permukaan dari difusi uap dari permukaan padatan ke lingkungan sekitar

yang melewati lapisan tipis udara yang bersentuhan dengan permukaan. Karena

pengeringan pada tahap ini berhubungan dengan perpindahan massa saat sebuah gas

bersentuhan dengan cairan, maka hal yang terpenting untuk diperhatikan adalah

karakteristik kesetimbangan dari padatan basah (Siagian, 2008).

Faktor internal terjadi setelah pengeringan tahap awal selesai dimana air bebas

dipermukaan padatan sudah habis dikeringkan dan terjadi perbedaan kelembaban yang

tinggi antara permukaan padatan dan bagian dalam padatan yang masih basah (Siagian,

2008). Selain itu juga terjadi perbedaan temperatur antara medium yang basah dengan

medium yang kering shingga terjadi gradien temperatur antar medium. Hal ini

menyebabkan perpindahan kelembaban air dalam ke permukaan, yang berjalan dengan

cara difusi, gaya kapilerm tekanan internal karena penyusutan selama pengeringan

(Siagian, 2008).

1.2.3 Alat Pengeringan

Di antara berbagai macam pengering komersial yang ada, hanya

beberapa yang pemanfaatannya dalam skala industri sangat luas.

Kelompok yang paling banyak penggunaannya adalah pengering untuk

zat padat tak terdeformasi atau bijian. Contoh pengering untuk

keperluan tersebut adalah tray drier, screen conveyor drier, tower

drier, rotary drier, screw conveyor drier, fluid-bed drier, dan flash drier.

Tray Drier

Salah satu alat pengering yang ada adalah tray drier yang beroperasi sacara batch,

dimana bahan yang dikeringkan berada di suatu tempat tertentu (di tray) sedang gas

(biasanya digunakan udara) mengalir secara terus-menerus melalui bahan yang

dikeringkan dan menguapkan airnya. Operasi secara batch ini di industri merupakan

proses yang relatif mahal dan hanya sesuai dengan bahan tertentu saja. Tetapi untuk skala

laboratorium alat ini sangat bermanfaat untuk mempelajari pengetahuan fundamental

tentang pengeringan seperti misalnya mekanika fluida, kimia permukaan, struktur

padatan, perpindahan massa dan panas yang kesemuanya itu sangat berpengaruh terhadap

proses pengeringan.

Contoh tray drier ditunjukkan pada Gambar 2.1 Pengering ini

terdiri dari sebuah ruang dari logam lembaran yang berisi dua buah

truk yang mengandung rak-rak H. Setiap rak mempunyai sejumlah

piringan sebagai penapis tempat bahan yang akan dikeringkan

diletakkan. Piringan ini umumnya berukuran 30 in2, dengan ketebalan

2 sampai 6 in. Udara panas disirkulasikan pada kecepatan 7 sampai 15

ft/detik di antara piringan dengan bantuan kipas C dan motor D,

mengalir melalui pemanas E. Sekat-sekat G membagi udara tersebut

secara seragam di atas susunan talam tadi. Sebagian udara basah

diventilasikan keluar melalui talang pembuang B; sedangkan udara

segar masuk melalui pemasuk A. Rak-rak itu disusun di atas roda truk I

sehingga pada akhir siklus pengeringan truk itu dapat ditarik keluar

dari ruang pengering dan dibawa ke bagian akhir untuk off loading

bahan yang selesai dikeringkan.

Gambar 1.1. Skema Tray Drier

Tray drier dapat beroperasi dalam vakum, terkadang dengan pemanasan tidak

langsung. Masing-masing tray terdiri atas pelat-pelat logam bolong yang dilalui uap atau

air panas atau terkadang dilengkapi ruang khusus untuk fluida pemanas. Uap dari zat

padat dikeluarkan dengan ejektor atau pun pompa vakum. Pengering beku (freeze drying)

terdiri dari sublimasi es dari es pada tekanan vakum dan pada temperatur di bawah 0oC.

Freeze drying dilakukan khusus untuk mengeringkan vitamin dan berbagai bahan yang

peka terhadap panas.

Screen Conveyor Drier

Contoh umum Screen Conveyor Drier dengan sirkulasi tembus ditunjukkan pada

Gambar 2.2. Lapisan bahan yang akan dikeringkan setebal 1 sampai 6 in diangkut

perlahan di atas lapisan screen logam melalui ruang lurus seperti pengering. Selama

pergerakan itu bahan dikeringkan. Ruang/ terowongan tersebut terdiri dari sederetan

bagian terpisah, yang masing-masing mempunyai kipas dan pemanas udaranya sendiri.

Pada ujung masuk ke perngering itu, udara biasanya mengalir ke atas melalui lapisan

screen dan zat padat. Di dekat ujung keluar dimana bahan sudah kering dan umumnya

jadi berdebu, udara dialirkan ke bawah melalui screen tersebut.

Gambar 1.2. Screen Conveyor Drier

Pengering screen conveyor biasanya mempunyai lebar 6 ft dan panjang 12 sampai

150 ft dan waktu pengeringannya 5 sampai 120 menit. Ukuran anyaman pada lapisan

screen kira-kira 30 mesh. Bahan-bahan bijian kasar, serpih, atau bahan berserat dapat

dikeringkan dengan sirkulasi tembus tanpa sesuatu proses pretreatment dan tanpa ada

bahan yang lolos dari lapisan screen. Akan tetapi bahan saring yang halus harus dicetak

terlebih dahulu untuk dapat dikeringakan dengan screen conveyor drier. Agregat tersebut

biasanya tidak kehilangan bentuknya pada waktu dikeringkan dan sangat sedikit yang tiris

menjadi debu melalui lapisan screen tersebut. Terkadang screen conveyor drier juga

dilengkapi fasilitas untuk mengambil dan mencetak kembali partikel-partikel halus yang

tertapis oleh lapisan screen tersebut.

Tower Drier

Tower Drier terdiri dari sederetan piringan bundar yang dipasang bersusun ke atas

pada suatu poros tengah yang berputar. Umpan padat dijatuhkan pada piringan teratas dan

dikenakan pada arus udara panas atau gas yang mengalir melintasi setiap piringan. Zat

padat tersebut lalu didorong keluar dan dijatuhkan pada piringan berikut di bawahnya.

Proses tersebut terus dialami zat padat yang dikeringkan sampai keluar dari piringan

terbawah sebagai hasil yang kering pada dasar menara. Aliran zat padat dan gas

pengering tersebut dapat searah dan dapat pula berlawanan arah. Turbo drier pada

Gambar 2.3 adalah salah satu contoh tower drier dengan resirkulasi-dalam pada gas

pemanas. Kipas-kipas turbin digunakan untuk mensirkulasikan udara atau gas ke arah luar

di antara beberapa piringan, di atas elemen pemanas, dan ke arah dalam di antara

piringan-piringan lain. Kecepatan gas biasanya 2 sampai 8 ft/detik. Dua piringan

terbawah pada pengering merupakan bagian pendinginan untuk zat padat kering. Udara

yang dipanaskan terlebih dahulu biasanya masuk dari bawah menara dan keluar dari atas

sehingga terdapat aliran berlawanan arah. Turbo drier berfungsi sebagian dengan

pengeringan sirkulasi silang, seperti pada tray drier dan sebagian dengan mengontakkan

partikel-partikel melalui gas panas pada waktu partikel itu jatuh dari piringan yang satu

ke piringan berikutnya.

Gambar 1.3. Tower Drier

Rotary Drier

Rotary Drier terdiri dari sebuah selongsong berbentuk silinder yang berputar,

horisontal, atau agak miring ke bawah ke arah luar. Umpan basah masuk dari satu ujung

silinder sedangkan bahan kering keluar dari ujung yang satu lagi. Pada waktu selongsong

berputar, sayap-sayap yang terdapat di dalam mengangkat zat padat tersebut dan

mendorong padatan jatuh melalui bagian dalam selongsong. Rotary drier ada yang

dipanaskan dengan kontak langsung gas dengan zat padat, dengan gas panas yang

mengalir melalui mantel luar, atau dengan uap yang kondensasi di dalam seperangkat

tabung longitudinal yang dipasangkan pada permukaan dalam selongsong. Jenis yang

dirancang sedemikian rupa dinamakan rotary drier dengan tabung uap. Dalam rotary

drier tipe direct-indirect gas panas terlebih dahulu dilewatkan melalui mantel dan

kemudian masuk ke dalam selongsong, dimana gas tersebut berada pada kontak dengan

zat padat yang dikeringkan.

Gambar 1.4. Rotary Drier Arus Counter Current

Keterangan Alat:

A: selongsong pengering

B: selongsong bantalan rol

C: roda gigi penggerak

D: tudung pembuang udara

E: kipas pembuang

F: peluncur umpan

G: sayap-sayap pengangkut

H: pengeluaran produk

J : pemanas udara

Screw Conveyor Drier

Screw conveyor Drier adalah pengering kontinu dengan sistem kontak tidak

langsung. Pada pokoknya pengering ini terdiri dari sebuah screw conveyor horizontal

yang terletak di dalam selongsong bermantel berbentuk silinder. Zat padat yang

diumpankan di satu ujung diangkut perlahan melalui zona panas dan dikeluarkan dari

ujung yang satu lagi. Uap yang keluar disedot melalui pipa yang dipasang pada atap

selongsong. Selongsong umumnya berdiameter 75 sampai 600 mm dan panjangnya dapat

sampai 20 ft. Bila diperlukan selongsong panjang, digunakan beberapa selongsong yang

dipasang bersusun satu di atas yang lain.

Sering pula unit paling bawah dalam susunan itu merupakan pendingin dimana air

atau bahan pendingin lain yang dialirkan dalam mantel itu untuk menurunkan temperatur

zat padat yang telah dikeringkan tersebut sebelum keluar dari pengering.

Laju putar selongsong umumnya rendah, antara 2 sampai 30 putaran per menit.

Koefisien perpindahan kalor didasarkan atas keseluruhan permukaan dalam selongsong,

biarpun selongsong tersebut hanya 10 sampai 60 persen terisi. Koefisien itu bergantung

pada pembebanan di dalam selongsong dan kecepatan conveyor. Nilainya untuk

kebanyakan zat padat berkisar antara 17 sampai 57 W/m2.0C. Screw conveyor drier dapat

menangani zat padat yang terlalu halus atau terlalu lengket bila dikeringkan pada rotary

drier. Pengering ini tertutup seluruhnya, dan memungkinkan recovery uap zat pelarut

tanpa terlalu banyak pengenceran oleh udara atau bahkan tanpa pengenceran sama sekali.

Bila dilengkapi dengan pengumpan yang sesuai, pengering ini dapat dioperasikan dalam

vakum. Jadi sangat sesuai untuk mengeluarkan zat pelarut yang mudah menguap dari zat

padat yang basah dengn pelarut, seperti sisa dari operasi pengurasan.

1.2.4 Kelembaban

Pada proses pengeringan biasanya cairan yang diuapkan adalah air dan gas yang

digunakan adalah udara. Kelembaban untuk sistem udara air dibedakan menjadi dua

yaitu:

1. Kelembaban absolut massa :

2. Kelembaban absolut molar :

Untuk mengetehui harga kelembaban udara, dapat diukur dengan menggunakan

psikrometer. Dimana akan didapatkan temperatur bola basah (tw) dan temperatur bola

kering (tg).

Yang mana;

tg = suhu udara (oF)

tw = suhu bola basah (oF)

λw = entalpi penguapan air pada tw

Y’ = kelembaban jenuh udara pada tw

Yang mana;

PH2O = tekanan uap jenuh air pada suhu tw, dapat didekati dengan persamaan

Antoine sebagai berikut:

PH2O dalam mmHg, dan T dalam derajat Kelvin.

1.2.5 Kadar Air Kesetimbangan

Zat padat basah jika dikontakkan dengan udara yang mempunyai kelembaban dan

suhu tertentu dengan dalam waktu cukup lama, maka akan dicapai keadaan

kesetimbangan dimana kandungan air pada zat padat tidak berubah. Kandungan air pada

kondisi ini disebut kadar air kesetimbangan.

Pada prinsipnya, air dalam bahan padat berada dalam dua keadaan. Sejumlah air

berada dalam pori-pori padatan karena adanya tegangan permukaan dan disebut

unbounded water atau air bebas. Air ini mempunyei tekanan uap dan panas laten

penguapan sama dengan air murni. Sedang air yang berada dalam bahan padat dan

mempunyai interaksi dengan bahan padat misalnya, air kristal atau air yang ada pada

permukaan zat padat misalnya air teradsorpsi disebut air terikat atau bounded water. Air

terikat ini akan mempunyai tekanan uap yang lebih kecil dari air murni.

1.2.6 Kurva Kecepatan Pengeringan

Dari data percobaan pengeringan akan dapat dibuat kurva yang menyatakan

hubungan antara kadar air dan waktu pengeringan, seperti terlihat pada gambar.

A

Kadar

air

(X)

X*

Waktu, t (menit)

Gambar 1.5. Kurva Hubungan Kadar Air dengan Waktu Pengeringan.

Dari data tersebut dapat diubah ke kecepatan pengeringan, N kg air/jam m2 sebagai

fungsi dari kandungan air (X) seperti gambar 2. dengan menentukan perubahan ΔX dalam

waktu Δt.

(1)

Yang mana;

Ls = berat padatan kering (kg)

A = luas padatan (m2).

X = kadar air bahan (kg air/kg padatan kering)

t = waktu (menit)

X* X (kg air/kg padatan)

Gambar 1.6. Kurva Hubungan Kadar Air Padatan dengan Kecepatan Pengringan.

A

BC

D

E

N

. B

. C

. D

. E

Pada permulaan operasi, biasanya temperatur padatan lebih rendah dibanding

temperatur kesetimbangan, sehingga kecepatan pengeringan akan naik dengan kenaikan

temperatur bahan. Periode ini (AB) disebut periode penyesuaian awal dan biasanya sangat

pendek dibanding keseluruhan operasi.

Setelah temperatur kesetimbangan tercapai, maka periode kecepatan pengeringan

tetap dimulai (BC). Pada periode ini akan terjadi penguapan cairan dari permukaan

padatan, kecepatan penguapan di permukaan tersebut masih bisa diimbangi oleh difusi

maupun efek kapiler air dari dalam padatan ke permukaan padatan. Dengan demikian

permukaan padatan akan tetap basah.

Setelah mencapai kadar air kritis Xc, kecepatan difusi air dari dalam padatan tidak

bisa mengimbangi kecepatan penguapan di permukaan padatan. Dengan demikian akan

terjadi tempat-tempat kering (dry spot). Ini akan mengurangi kecepatan pengeringan dan

disebut periode kecepatan menurun yang pertama (CD).

Pada periode (DE), kecepatan pengeringan ditentukan oleh kecepatan difusi dari

dalam permukaan padatan. Ini akan terus berlangsung sampai tercapai kadar air

kesetimbangan X*.

1.2.7 Mekanisme Pengeringan

Dalam proses pengeringan, proses perpindahan massa dan perpindahan panas

merupakan salah satu faktor yang perlu diperhatikan. Pada permukaan bahan akan

terbentuk lapisan tipis air dan juga terbentuk lapisan tipis udara, yang sering disebut

lapisan film. Dengan adanya beda konsentrasi air di permukaan padatan dan di udara

pengering maka air akan menguap dan berpindah dari bahan ke udara pengering.

fasa padatan fasa gas

Gambar 1.7. Perpindahan Massa dari Fasa Padatan ke Fasa Gas.

X

Y’*Y’

Persamaan perpindahan massa dari fasa padat ke fasa gas dapat dituliskan sebagai

berikut:

N = Ky (Y’*-Y’) (2)

Yang mana;

Ky = koefisien perpindahan massa

Y’* = kelembaban udara pada permukaan padatan, pada keadaan relatif basah

didekati dengan Y’ (kelembaban jenuh pada suhu padatan).

Ditinjau dari perpindahan panasnya, maka panas yang diterima padatan akan

digunakan untuk menguapkan air. Untuk kasus pengeringan pada suhu relatif rendah

maka perpindahan panas yang terjadi dianggap hanya melalui mekanisme konveksi.

Sehingga dapat dituliskan persamaan:

(3)

h = 0,01 G’0,8 (4)

Yang mana;

h = koefisien transfer panas konveksi

G’ = kecepatan massa udara pengering untuk kecepatan udara 2-25

ft/det.

λw = panas laten penguapan pada suhu padatan.

Tg = suhu udara pengering (oF)

Ts = suhu padatan (oF) untuk keadaan relatif basah dapat didekati dengan suhu

bola basah udara pengering.

DAFTAR PUSTAKA

Geankoplis, Christie J.1993. Transport Process and Unit Operations, third edition. Allyn and Bacon Inc, Boston.

Hardjono. 1989. Operasi Teknik Kimia II, edisi pertama. Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Gajah Mada, Yogyakarta.

Siagian, P.S., 2008, Pengeringan Pada Produk Jamu, Tesis, Universitas Indonesia,

Depok.

Tim Penyusun. 2014. Penuntun Praktikum Laboratorium Teknik Kimia II. Program Studi Teknik Kimia S1, Fakultas Teknik, Universitas Riau, Pekanbaru.

Yusra, 2011, Bab 5. Teknik Pengawetan dengan Pengeringan dan Pengasapan, Teknik

Pengawetan dengan Pengeringan dan Pengasapan