MAKALAH

PERPINDAHAN MASSA

“DRYING”

Disusun oleh:

Aisyah Nur Ridha 1306481991

Charlie Hutajulu 1306482003

Muhammad Syafaruddin 1306482035

Titen Pinasti 1306482054

Departemen Teknik Kimia

Fakultas Teknik

Universitas Indonesia

2014

BAB I

DRYING

Drying merupakan salah satu proses pengambilan sejumlah cairan yang terkandung didalam suatu bahan (padatan) dengan menggunakan medium berupa gas atau udara yang dilewatkan melalui bahan tersebut sehingga kandungan cairan menjadi berkurang karena menguap. Drying banyak digunakan dalam berbagai macam industri, baik industri besar maupun kecil. Tujuan dari proses pengeringan ini berbeda antara lain adalah untuk mengawetkan suatu bahan, menghilangkan uap beracun, mengurangi biaya pengangkutan, membuat bahan dengan kandungan air tertentu, membunuh mikroorganisme dalam bahan dan memperingan bahan. Sebagian besar industri yang menghasilkan produk padatan menggunakan proses drying, antara lain: Industri pigmen, kertas, polymer, ceramik, kulit, kayu, dan makanan.

Pada proses pengeringan cairan yang dapat diuapkan adalah cairan bebas. Cairan bebas yaitu cairan total dalam bahan dikurangi cairan kesetimbangan. Cairan kesetimbangan adalah cairan yang terkandung dalam bahan yang setimbang dengan tekanan uap parsial dalam udara setelah bahan dikenai proses pengeringan yang cukup lama pada kondisi pengeringan konstan. Cairan terikat (bound moisture) adalah kandungan cairan dari suatu bahan yang berkesetimbangan tekanan uap kurang dari kesetimbangan cairan murni pada temperatur yang sama. Apabila tetap dilakukan proses pengeringan maka akan terjadi kerusakan pada struktur bahan. Cairan tak terikat (unbound moisture ) adalah kandungan cairan dalam suatu bahan yang berkesetimbangan tekanan uap yang sama dengan tekanan uap cairan murni pada temperatur yang sama. Sedangkan yang disebut kandungan air kritis adalah kandungan air pada saat akir kecepatan pengeringan konstan.

Gambar 1. Tipe-Tipe Kandungan Air (Treybal,1981)

2

            Pada proses pengeringan terjadi transfer panas dan transfer masa secara simultan. Pada proses transfer masa terjadi perpindahan massa air dari dalam  menuju ke permukaan bahn kemudian terjadi transfer massa antar fase dimana air akan mendifusi ke udara kering. Sedangkan pada proses transfer panas terjadi secara  konduksi didalam bahan dan transfer panas antar fase secara konveksi dan radiasi pada permukaan bahan yang dikeringkan. Pada proses pengeringan dikenal adanya suhu bola basah (wet bulb temperature) dan suhu bola kering (dry bulb temperature). Suhu bola basah adalah suhu kesetimbangan dinamis dimana laju transfer panas ke permukaan oleh peristiwa radiasi dan konveksi setimbang dengan dengan laju transfer panas menjauhi permukaan. Suhu bola kering dari campuran udara uap adalah suhu dari campuran udara uap yang ditentukan dengan meletakkan termometer dalam campuran udara uap hingga mencapai keadaan setimbang atau lebih dikenal sebagai suhu lingkungan.

Kecepatan pengeringan suatu bahan dipengaruhi oleh sifat bahan dan kondisi operasi pengeringan. Sifat bahan meliputi luas permukaan bahan, kandungan cairan bahan, bentuk bahan, porositas bahan difusivitas air dalam bahan, viskositas dan rapat massa fluida. Kondisi operasi yang menjadi variable pengeringan terdiri dari kecepatan aliran gas pengering, suhu dan tekanan operasi, kelembaban udara, arah aliran udara pengering dan waktu pengeringan. Pada suatu bahan yang dikenai proses pengeringan akan diperoleh data-data kandungan air (X) dan waktu peneringan (t) Hubungan antara kadar air dengan waktu pengeringan dapat digambarkan sebagai berikut.

Gambar 2. Hubungan Antara kadar cairan (x) dan waktu (t) (Perry,1981)

            Dari gambar diatas dapat diketahui bahwa kurva terdiri dari tiga bagian, atau apabila diamati menurut waktu terbagi atas tiga periode, yaitu penyesuaian awal (AB), periode kecepatan pengeringan konstan (BC) dan periode akhir pengeringan (CD). Hubungan antara kandungan air (x) dan waktu (t) dapat dikembangkan menjadi perhitungan kecepatan pengeringan (N). Perhitungan dilakukan dengan menghitung garis singgung atau gradien pada periode waktu tertentu. Hubungan antara kecepatan pengeringan dengan kadar air dapat digambarkan seperti pada Gambar 3.

3

Gambar 3. Hubungan antara Kecepatan Pengeringan dan Kandungan Air (Treybal,1981)

Kecepatan pengeringan suatu bahan terbagi dalam empat peroide, yaitu:

- Initial adjustment, yaitu periode awal dimana kecepatan pengeringan naik atau turun dengna cepat.

- Constan rate, yaitu periode dimana panas yang keluar dari sekeliling permukaan pengeringan sama dengan panas yang diserap bahan sehingga kecepatan pengeringa tetap.

- Unsaturated surface drying, yaitu periode dimana kecepatan pengeringan turun secara linier.

- Internal movement of moisture control, yaitu periode dimana kecepatan pengeringan turun secara tajam atau tidak beraturan

Hubungan antara kecepatan pengeringan dengan waktu pengeringan dapat digambaran seperti gambar 4.

Gambar 4. Hubungan Kecepatan Pengeringan (N) dengan Waktu Pengeringan (t) (Perry,1984)

4

BAB II

ROTARI DRYER DAN SPRAY DRYER

a. Rotari Dryer

Rotary dryer atau bisa disebut drum dryer merupakan alat pengering berbentuk sebuah drum yang berputar secara kontinyu yang dipanaskan dengan tungku atau gasifier. Alat pengering ini dapat bekerja pada aliran udara melalui poros silinder pada suhu 1200-1800oF tetapi pengering ini lebih seringnya digunakan pada suhu 400-900oF. Rotary dryer sudah sangat dikenal luas di kalangan industri karena proses pengeringannya jarang menghadapi kegagalan baik dari segi output kualitas maupun kuantitas. Namun sejak terjadinya kelangkaan dan mahalnya bahan bakar minyak dan gas, maka teknologi rotary dryer mulai dikembangkan untuk berdampingan dengan teknologi bahan bakar substitusi seperti burner batubara, gas sintesis dan sebagainya. Pengering rotary dryer biasa digunakan untuk mengeringkan bahan yang berbentuk bubuk, granula, gumpalan partikel padat dalam ukuran besar. Pemasukkan dan pengeluaran bahan terjadi secara otomatis dan berkesinambungan akibat gerakan vibrator, putaran lubang umpan, gerakan berputar dan gaya gravitasi. Sumber panas yang digunakan dapat berasal dari uap listrik, batubara, minyak tanah dan gas. Debu yang dihasilkan dikumpulkan oleh scrubber dan penangkap air elektrostatis.

Secara umum, alat rotary dryer terdiri dari sebuah silinder yang berputar di atas sebuah bearing dengan kemiringan yang kecil menurut sumbu horisontal, rotor, gudang piring, perangkat transmisi, perangkat pendukung, cincin meterai, dan suku cadang lainnya.. Panjang silinder biasanya bervariasi dari 4 sampai lebih dari 10 kali diameternya (bervariasi dari 0,3 sampai 3 m). Feed padatan dimasukkan dari salah satu ujung silinder dan karena rotasi, pengaruh ketinggian dan slope kemiringan, produk keluar dari salah satu ujungnya. Pengering putar ini dipanaskan dengan kontak langsung gas dengan zat padat atau dengan gas panas yang mengalir melalui mantel luar, atau dengan uap yang kondensasi di dalam seperangkat tabung longitudinal yang dipasangkan pada permukaan dalam selongsong.

Pada alat pengering rotary dryer terjadi dua hal yaitu kontak bahan dengan dinding dan aliran uap panas yang masuk ke dalam drum. Pengeringan yang terjadi akibat kontak bahan dengan dinding disebut konduksi karena panas dialirkan melalui media yang berupa logam. Sedangkan pengeringan yang terjadi akibat kontak bahan dengan aliran uap disebut konveksi karena sumber panas merupakan bentuk aliran. Pada pengeringan dengan menggunakan alat ini penyerapan panas mudah dilakukan dan terjadi penyusutan bobot yang lebih tajam dibandingkan dengan penurunan pembobotan yang dialami tray dryer.

Pengeringan pada rotary dryer dilakukan pemutaran berkali-kali sehingga tidak hanya permukaan atas yang mengalami proses pengeringan, namun juga pada seluruh bagian yaitu atas dan bawah secara bergantian,  sehingga pengeringan yang dilakukan oleh alat ini lebih merata dan lebih banyak mengalami penyusutan. Selain itu rotary ini mengalami pengeringan

5

berturut-turut selama satu jam tanpa dilakukan penghentian proses pengeringan. Pengering rotary ini terdiri dari unit-unit silinder, dimana bahan basah masuk diujung yang satu dan bahan kering keluar dari ujung yang lain. Proses pengeringan terjadi ketika bahan dimasukkan ke dalam silinder yang berputar kemudian bersamaan dengan itu aliran panas mengalir dan kontak dengan bahan. Didalam drum yang berputar terjadi gerakan pengangkatan bahan dan menjatuhkannya dari atas ke bawah 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. Selain itu bahan bergerak dari bagian ujung dryer keluar menuju bagian ujung lainnya akibat kemiringan drum. Bahan yang telah kering kemudian keluar melalui suatu lubang yang berada di bagian belakang pengering drum. Sumber panas didapatkan dari gas yang diubah menjadi uap panas dengan cara pembakaran.

Kontak yang terjadi antara padatan dan gas pada alat pengering rotary dryer dilengkapi dengan flights, yang diletakkan di sepanjang silinder rotary dryer. Volume material yang ditransport oleh flights antara 10 sampai 15 % dari total volume material yang terdapat di dalam rotary dryer. Mekanismenya sebagai berikut, pada saat silinder pengering berputar, padatan diambil keatas oleh flights, terangkat pada jarak tertentu kemudian terhamburkan melalui udara. Kebanyakan pengeringan terjadi pada saat seperti proses ini, dimana padatan berkontak dengan gas. Flights juga berfungsi untuk mentransfer padatan melalui silinder.

Proses yang terjadi di dalam rotary dryer sangat kompleks dan masih sedikit dimengerti dengan baik sehingga menjadi obyek penelitian dari banyak peneliti. Untuk dapat menganalisis dan mendesain sistem rotary dryer secara benar dan meyakinkan, perlu difahami fenomena perpindahan panas, perpindahan massa dan transportasi partikel padat di dalam rotary dryer. Mula-mula panas dipindahkan dari gas ke padatan basah, karena adanya driving force suhu, dan temperatur padatan akan naik dan kehilangan uap air. Uap air berpindah ke aliran gas karena adanya gradien tekanan uap. Hal ini merupakan proses simultan dari perpindahan massa dan perpindahan panas yang terjadi pada saat partikel padat bergerak secara kontinyu membentuk pancaran berputar di seluruh silinder dari masukan sampai keluaran. Metoda perpindahan panas yang terjadi adalah konveksi dan konduksi.

Pada umumnya kebanyakan alat pengering, panas dipindahkan dengan lebih dari satu cara, tetapi pengering industri tertentu (misalnya pengeringan makanan) mempunyai satu metoda perpindahan panas yang dominan. Sedangkan pada rotary dryer, perpindahan panas yang dominan adalah perpindahan panas konveksi, panas yang diperlukan biasanya diperoleh dari kontak langsung antara gas panas dengan padatan basah. Pengeringan dalam rotary dryer menggunakan suhu tidak lebih dari 70oC dengan lama pengeringan 80-90 menit, dan putaran rotary dryer 17-19 rpm. Untuk memperoleh hasil pengeringan yang baik selain ditentukan oleh suhu dan putaran mesin juga ditentukan oleh kapasitas mesin pengering. Kapasitas per batch mesin pengering ditentukan oleh diameter mesin itu.

6

Rotary dryer diklasifikasikan sebagai direct, indirect-direct, indirect dan special types. Istilah tersebut mengacu pada metode transfer panasnya, istilah direct digunakan pada saat terjadi kontak langsung antara gas dengan solid. Peralatan rotary dryer dapat diaplikasikan untuk pemrosesan material solid secara batch maupun kontinyu. Material solid harus mempunyai sifat dapat mengalir bebas dan berwujud granular.

Dalam merencanakan alat pengering rotary dryer hendaklah diketahui kadar air input, kadar air output, densiti material, ukuran material, maksimum panas yang diijinkan, sifat fisika atau kimia, kapasitas output, dan ketersediaan jenis bahan bakar sehingga dapat ditentukan dimensi rotary dryer, sistem pemanas (langsung atau tidak langsung), arah gas panas (co-current atau counter current), volume dan tekanan udara, kecepatan dan tenaga putar, dan dimensi siklon.

Pengering  rotari telah menjadi andalan bagi banyak industri yang menghasilkan produk dalam tonase yang tinggi. Pengeringan ini biasanya membutuhkan  modal yang besar dan kurang efisien, tetapi sangat fleksibel. Penggunaan tabung uap yang dibenamkan dalam  sel yang berputar membuat pengeringan pancuran (cascanding rotary dryer) lebih efisien secara termal. Pengering rotary memiliki keuntungan dari struktur yang wajar, manufaktur yang sangat baik, output tinggi, konsumsi energi yang rendah, operasi yang mudah digunakan dan sebagainya. Pengering rotary berlaku untuk bahan partikel, dan juga berlaku untuk bahan pasta dan kental yang bercampur dengan bahan partikel, atau bahan yang kadar air tinggi. Ini memiliki keuntungan dari volume produksi yang besar, berbagai aplikasi, hambatan aliran kecil, rentang disesuaikan besar, dan operasi yang mudah digunakan, dll.

Secara umum, unit pemanas langsung merupakan unit yang sederhana dan paling ekonomis. Unit ini digunakan pada saat kontak langsung antara padatan dan flue gas dapat ditoleransi. Karena beban panas total harus diberikan dan diambil, sejumlah volume total gas yang besar dan kecepatan yang tinggi diperlukan. Kecepatan gas yang ekonomis biasanya kurang dari 0,5 m/s.

7

Bagian dalam alat yang berbentuk silindris ini, semacam sayap yang banyak. Melalui antara sayap-sayap tersebut dialirkan udara panas yang kering sementara silinder pengering berputar. Dengan adanya sayap-sayap tersebut bahan seolah-olah diaduk sehinga pemanasan meratadan akhirnya diperoleh hasil yang lenih baik. Alat ini dilengkapi 2 silinder, yang satu ditempatkan di bagian dekat pemasukan bahan yang akan dikeringkan, dan yang satu lagi di bagian dekat tempat pengeluaran bahan hasil pengeringan. Masing- masing silinder tersebut berhubungan dengan sayap-sayap (kipas) yang mengalirkan secara teratur udara panas disamping berfungsi pula sebagai pengaduk dalam proses pengeringan, sehingga dengan cara demikian pengeringan berlangsung merata.

Keuntungan penggunaan rotary/drum dryer sebagai alat pengering adalah :

1. Dapat mengeringkan baik lapisan luar ataupun dalam dari suatu padatan2. Penanganan bahan yang baik sehingga menghindari terjadinya atrisi3. Proses pencampuran yang baik, memastikan bahwa terjadinya proses pengeringan

bahan yang seragam/merata4. Efisiensi panas tinggi5. Operasi sinambung6.  Instalasi yang mudah7. Menggunakan daya listrik yang sedikit

Kekurangan dari penggunaan pengering drum diantaranya adalah :

1. Dapat menyebabkan reduksi kuran karena erosi atau pemecahan2. Karakteristik produk kering yang inkonsisten3. Efisiensi energi rendah4. Perawatan alat yang susah5. Tidak ada pemisahan debu yang  jelas

b. Spray Dryer

Spray drying merupakan teknik proses partikel tersuspensi (SPP) yang mamanfaatkan atomisasi liquid untuk membuat tetesan yang dikeringkan ke partikel ketika bergerak pada media gas kering, biasanya udara. Spray drying digunakan untuk mengeringkan bahan kimia untuk farmasi, makanan, produk dairy, plasma darah, bahan kimia organik dan anorganik, karet latex, serbuk keramik, detergent, dan lain lain.

Proses spray drying beroperasi dengan beberapa cara, seperti: liquid dipompa dari tangki produk feed ke alat atomisasi, seperti rotary disc atomizer, pressure nozzle, yang sering ditempatkan pada saluran udara diatas drying chamber. Udara pengering diambil dari atmosfer melalui saringan dan melewati pemanas udara seperti furnace, pemanas elektrik, pemanas steam dan lain lain ke distributor udara. Tetesan dihasilkan oleh atomizer yang bertemu dengan udara panas dan evaporasi mendinginkan udara pada waktu yang sama. Setelah pengeringan tetesan di chamber, produk pengeringan jatuh ke bawah chamber dan terikut di udara. Kemudiah produk tersebut melewati cyclone untuk separasi partikel kering

8

dari udara. Partikel meninggalkan cyclone melalui rotary valve untuk diambil atau dikemas kemudian. Partikel halus akan tetap terikut di udara dan kemudian melewati udara melalui scrubbers untuk pencucian partikel halus dari udara. Siklus pencucian liquid dapat diangkut ke proses pretreat umpan. Udara dari scrubber kembali ke atmosfer melalui exhaust fan. Sistem proses kontrol terdiri dari indikasi yang dibutuhkan dari temperatur pada udara masuk dan keluar, voltase dan arus motor, dll. Kontol otomatis sering digunakan untuk memelihara suhu inlet dengan mengubah parameter operasi pemanas, seperti tekanan steam, jumlah minyak pada pemanas, dll. Dan suhu outlet dengan mengatur jumlah feed yang dipompa ke atomizer.

Keuntungan dari spray drying adalah sebagai berikut:

1. Sifat produk dan kualitas lebih terkontrol secara efektif2. Makanan yang sensitif panas, produk biologis, dan farmasi dapat dikeringkan pada

tekana atmosfer dan suhu rendah. Terkadang membutuhkan suasan yang inert3. Spray drying dapat digunakan pada produksi skala besar dan operasi yang kontinu dan

peralatan yang relatif sederhana.4. Produk berinteraksi dengan permukaan alat pada kondisi anhydrous, yang mengurangi

masalah kororsi dan pemilihan bahan alat5. Produk spray drying relatif seragam, partikel berbentuk bola dengan komposisi

nonvolatil yang hampir sama pada feed6. Suhu operasi gas dengan rentang suhu 150 – 600 oC, lebih efisien dibandingkan

dengan pengeringan jenis lain.

Kerugian:

1. Tidak dapat digunakan pada produk yang memiliki densitas sangat tinggi2. Secara umum tidak fleksibel. Sebuah unit di desain untuk atomisasi produk halus

mungkin tidak bisa menghasilkan produk yang kasar.3. Untuk kapasitas besar, dibutuhkan laju evaporasi yang besar juga. Feed harus dapat

dipompa4. Membutuhkan investasi awal yang besar dibandingkan dengan pengering kontinu

lain.5. Rekoveri produk dan banyaknya debu meningkatkan harga pengeringan.

9

10

BAB III

PERHITUNGAN

Neraca massa pada Rotary Dryer

Keterangan

F20 Total = kristal basah

F21Total = uap H2O

F22 Total = produk

Persamaan neraca massa

F20 Total = F21Total + F22Total

Produk yang diinginkan adalah Na3PO4.12H2O 98%

F22Total Na3 PO4 .12 H 2O=10098

×4949,4949kg

jam

F22Total=5050,5050kgjam

F22 Na2 HPO4=11,6752kgjam

F22 H 2O=F22Total−F22Total Na2 H PO4

F22 H 2O=F22Total−F22Total Na2 H PO4

11

F21 H 2O=F20 Total−F22 Total

F21 H 2O=289,8553 kg / jam

KomponenInlet Outlet20 21 22

F (kg/jam) F (kg/jam) F (kg/jam)Na3PO4.12H2O 4949,4949 4949,4949

Na2HPO4 11,6752 11,6752H2O 379,1902 289,8553 89,3349

Jumlah 5340,3604 5340,3604

Neraca panas pada Rotary Dryer

Keterangan

ΔH20 total = entalpi feed

ΔH22 total = entalpi uap air

ΔH23 total = entalpi produk

Diketahui:

Suhu feed = 55oC

T produk = 100oC

T uap air = 100oC

ΔH20 total = 296324,3361 kJ/jam

ΔH23 Total = {(m Na3PO4.12 H2O x Cp Na3PO4.12 H2O) +(m Na2HPO4 x Cp Na2HPO4) + (m H2O x Cp H2O)} x ΔT

12

= {(4949,4949 x 1,575877959) + (11,6752 x 1,0637) + (89,3349 x 4,184)} x (100-25)

= 613949,6841 kJ/jamNilai panas penguapan H2O = ΔHv = 40656,2 KJ/kg kmol

ΔH22 Total = (m H2O x Cp H2O x ΔT) + ΔHvl

= {289,8554 x 4,184 x (373 – 298)} + 40656,2 x 289,8554/18

= 745646,546 kJ/jam

dQ = (Q23Total + Q24Total) - DH22 Total

= 1063271,8940 kJ/jam

Kebutuhan steam:Saturated steam pada 1,5 atm, 120 oC, H(120 oC) = 2745,7 kJ/kg (Geankoplis, 2003)Saturated liquid pada 1,5 atm, 100 oC, H(100 oC) = 534,11 kJ/kg (Geankoplis, 2003)

λ = Hv - HL (Smith, dkk 2005)λ = 2745,7 – 534,11λ = 2202,59 kJ/kgλ = 2202,59 kJ/kg

m=dQλ

=1063271,8940

kJjam

2202,59kJjam

=482,7371kg

jam

Massa steam = 482,7371 kg/jam

Neraca energi pada Rotary Dryer

Neraca PanasInput kJ/jam Output kJ/jam

Entalpi feed 296324,3361 Entalpi produk 1063271,8940Entalpi steam 1063271,8940 H uap air 745646,546

Total = 1359596,23 kJ/jam

13