Cecep Isnandar S (101611070)

*SISTEM KRIOGENIK

SISTEM KRIOGENIK

CARA KERJA SISTEM KRIOGENIK

GAMBAR’’ KRIOGENIK

CONTOH SOAL

Pembekuan adalah salah satu cara untuk mengawetkan produk pertanian atau produk pangan dan produk-produk lainnya untuk selang waktu relatif lama sebelum dikonsumsi. Pada umumnya pembekuan produk pangan menggunakan teknologi pembekuan (refrigerant) konvensional berbahan pendingin amonia atau di masa lalu menggunakan freon-CFC (chloroflurocarbon) yang ternyata terbukti menjadi gas-gas penyebab kerusakan ozon. Teknologi pembekuan seperti ini juga telah ditemukan memiliki kelemahan karena tingkat pendinginan yang kurang rendah suhunya dan relatif tidak stabil sehingga tidak menjamin keawetan produk pangan yang dibekukan

* PENDINGINAN DENGAN MENGGUNAKAN SISTEM KRIOGENIK

Pada penggunaan ammonia sebagai bahan pendingin, suhu terdingin yang dapat dicapai untuk refrigeran produk pangan yaitu antara -1ºC sampai dengan -46 ºC. Akan tetapi tidak semua produk pertanian terutama sayuran dan buah-buahan dapat dibekukan dengan mesin refrigerasi konvensional yang memberikan kecepatan pembekuan yang rendah karena jika produk semacam itu berada dalam ruang berisi udara dingin yang kering dalam waktu lama, maka air dalam sel-sel akan terdifusi keluar. Akibatnya, bobot produk berkurang demikian pula nilai ekonominya.

Kriogenik (cryogenic) merupakan salah satu teknologi pembekuan yang sebetulnya bukan tergolong ide yang baru. Metode pembekuan pada teknologi ini menggunakan gas yang dimanfaatkan menjadi cairan (liquid) misalnya nitrogen (N2) dan karbon dioksida (CO2). Nitrogen cair sebagaimana telah diketahui sejak lama, dipergunakan sebagai pembeku bahan-bahan organik untuk keperluan penyimpanan dan ekstraksi bahan-bahan penelitian bidang biologi terapan. Karbon dioksida cair pun telah sejak lama dipergunakan untuk pengisi tabung pemadam kebakaran.

Nitrogen cair memiliki titik didih pada suhu -195,8 derajat ºC, sedangkan karbon dioksida cair -57 ºC. Pada suhu yang lebih tinggi dari suhu tersebut, nitrogen dan karbon dioksida akan berbentuk gas volatil, sehingga umumnya nitrogen cair dan karbon dioksida cair berada pada suhu lebih rendah daripada titik didihnya. Dengan suhu yang sedemikian dingin, baik nitrogen cair maupun karbon dioksida cair mempunyai kemampuan membekukan bahan organik yang relatif lebih efektif daripada pendingin berbahan amonia ataupun freon. Suntory, sebuah perusahaan minuman di Jepang mengunakan metode cryogenic ini sebagai metode baru untuk produksi minuman sehingga kualitas kesegaran minuman terjaga. Dalam kondisi suhu -195 ºC buah dihancurkan menjadi tepung kemudian dibuat minuman.

Proses pembekuan cepat dilakukan dengan cara menyemprotkan cairan kriogenik, dalam hal ini nitrogen cair, ke produk yang diletakkan di rak dalam lemari pembeku. Produk dapat dibekukan pada suhu – 200⁰ C atau – 400⁰ C dalam waktu singkat dan dengan pemakaian nitrogen cair yang optimum. Dengan kecepatan pendinginan yang tinggi dan waktu pembekuan yang relatif singkat, maka proses difusi uap air dari sel dapat dikurangi dan produk tidak banyak mengalami susut bobot. Hasil pengujian menunjukkan bahwa lemari dapat berfungsi dengan baik dan dapat membekukan produk dalam waktu relatif singkat sesuai dengan yang diharapkan. Mikroba pada produk yang dibekukan dengan nitrogen cair dan disimpan dalam lemari pendingin, jika semakin lama produk beku disimpan dalam lemari pendingin semakin sedikit jumlah sel mikroba.

Sistem refrigerasi kriogenik sebenarnya hampir mirip dengan kompresi uap hanya saja kompresornya sampai 200 bar, dan dipasang secara seri. Untuk menghasilkan udara cair dalam jumlah yang besar sehingga dapat dihasilkan CO₂, cair, O₂, Nitrogen, DLL.

Kegunaan udara cair namun udara cair juga memiliki sifat’’ yang merugikan / berbahaya.

Di negara-negara maju, studi mengenai aplikasi teknologi kriogenik untuk pembekuan produk pangan telah dimulai sejak dekade 1990-an. Beberapa kelebihan teknologi kriogenik untuk pembekuan produk pangan dibandingkan teknologi pembekuan konvensional telah ditemukan, seperti :

*1) teknologi kriogenik mempunyai kemampuan mencegah rusaknya adenosintrifosfat (ATP) pada produk pangan laut segar selama periode penyimpanan.

*2) mampu mempercepat pembekuan produk pangan seperti daging dan telur.

*3) menghambat pertumbuhan mikroorganisme perusak produk pangan lebih baik.

*4) mencegah rusaknya nutrisi produk pangan lebih baik.

Pada saat ini studi mengenai aplikasi teknologi kriogenik untuk pembekuan produk pangan lebih diarahkan pada perancangan kontainer atau jaket pendingin, mengingat gas cair seperti nitrogen cair dianggap terlalu berbahaya untuk dibawa seenaknya dalam transportasi produk pangan. Dan yang paling mutakhir saat ini yaitu upaya menggunakan teknologi nano material dalam rangka mencari bahan terbaik untuk digunakan sebagai kontainer atau jaket pendingin kriogenik termasuk pipa vakum kriogeniknya.

Peralatan Utama Pada System Kriogenik atau Peralatan utama pada system pencairan dan pendinginan pada suhu rendah( suhu minimum ) umumnya terdiri dari :

* heat exchanger

* kompresor

* expander

- gambar plat fin heat exchanger

Heat Exchanger Beberapa syarat utama heat exchanger untuk aplikasi suhu rendah diantaranya :

*1. perbedaan suhu aliran panas dan dingin yang kecil untuk meningkatkan efisiensi

*2. perbandingan luas permukaan terhadapa volume yang besar untuk meminimalkan kebocoran

*3. perpindahan panas yang tinggi untuk mengurangi luas permukaan

*4. masa yang rendah untuk meminimalkan waktu star up

*5. kemampuan menerima tekanan yang tinggi Jenis-jenis heat exchanger yang digunakan adalah :

1. heat exchanger tabung konsentrik dan tipe Collins

2. coiled tube heat exchanger

3. plate- fin heat exchanger

*Kompresor berfungsi sebagai alat untuk mengkompresi fluida kriogenik. Tiga jenis utama kompresor yag sering digunakan adalah:

1. kompresor reciprocating

2. Kompresor sentrifugal

3. Kompresor screw

1). Kompresor reciprocating

2). Kompresor sentrifugal

3). Kompresor screw

*Kompresor berfungsi sebagai alat untuk mengkompresi fluida kriogenik, sehingga temperatur dan tekanan naik.

*Expander

Fungsi utama expander pada kriogenik adalah untuk mengurangi suhu gas yang sedang di ekspansi untuk menyediakan kebutuhan pendinginan. Expander merupakan alat mekanik untuk merubah sebagian energi dari sebuah aliran proses menjadi suatu kerja mekanik yang berguna sehingga menghasilkan penurunan pada suhu dan tekanan fluida proses. Terdapat dua daerah aplikasi untuk pengembalian daya expander dan pendinginan. Dalam pengembalian daya, tujuannya adalah untuk menghasilkan energy listrik dari panas buangan / waste heat. Sedangkan dalam pendinginan atau pencairan tujuannya adalah untuk mendinginkan fluida.

Metode Untuk Mendapatkan Temperatur Rendah

1). Efek Joule Thompson, metoda ini menggunakan katup ekspansi dimana efek perubahan temperatur akibat perubahan tekanan pada entalpi konstan dinyatakan sebagai koefisien Joule Thompson.

Ekspansi adiabatik, merupakan metode untuk mendapatkan temperatur rendah melalui alat penghasil kerja (work-producing device). Dalam melakukan kerja, kandungan energi berkurang sehingga menyebabkan penurunan temperatur. Koefisien ekspansi isentropis / reversible adiabatik, menyatakan perubahan temperatur karena perubahan tekanan pada entropi konstan :

Untuk proses ekspansi isentropi melalui ekspander selalu menghasilkan penurunan temperatur, sedangkan ekspansi melalui katup ekspansi tidak selalu menghasilkan penurunan temperatur. Proses isentropis mengeluarkan energi gas dalam bentuk kerja eksternal (external-work method). Ekspansi melalui katup ekspansi tidak mengeluarkan energi, tetapi menggerakan molekul terpisah lebih jauh dibawah pengaruh gaya-gaya intermolekuler sehingga sering disebut (internal-work method)

• Properti Fluida Kriogenik Pada proses kriogenik, fluida yang digunakan pada dasarnya menggunakan lima jenis fluida diantaranya oksigen, nitrogen, neon, hydrogen, dan helium.

• System Pemisahan Gas Teknologi pemurnian fluida kriogenik biasa dilakukan pada temperatur rendah. Visualisasi teknik pemisahan gas berdasarkan hukum termodinamika ideal dan system reversible untuk pemisahan gas dapat memberikan pemahaman sebagai operasi dan energy yang dibutuhkan untuk berbagai macam system pemisahan. Gambar (skematik pemisahan gas pada system biner) Seperti pada gambar, dua sislinder yang tidak memilki gesekan dengan dinding dimana piston sebelah kiri permeable terhadap gas A tetapi tidak terhadap gas B, sedangkan pada piston sebelah kanan permeable terhadap gas B tetapi tidak terhadap gas A. dengan menggerakan piston secara perlahan piston A terhadap piston B pada tekanan konstan, gas dapat dipisahkan secara isothermal dan reversible.

Kerja ideal yang dibutuhkan untuk proses reversible isothermal tersebut adalah :

Pemisahan Gas Argon, Neon, Kripton, dan Xenon Udara mengandung gas mulia argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), dan xenon (Xe) walaupun dalam jumlah yang kecil. Gas mulia di industri diperoleh sebagai hasil samping dalam industri pembuatan gas nitrogen dan gas oksigen dengan proses destilasi udara cair. Pada proses destilasi udara cair, udara kering (bebas uap air) didinginkan sehingga terbentuk udara cair.

*Pada kolom pemisahan gas argon bercampur dengan banyak gas oksigen dan sedikit gas nitrogen karena titik didih gas argon (-189,4 0C) tidak jauh beda dengan titik didih gas oksigen (-182,8 0C). Untuk menghilangkan gas oksigen dilakukan proses pembakaran secara katalitik dengan gas hidrogen, kemudian dikeringkan untuk menghilangkan air yang terbentuk. Adapun untuk menghilangkan gas nitrogen, dilakukan cara destilasi sehingga dihasilkan gas argon dengan kemurnian 99,999%. Gas neon yang mempunyain titik didih rendah (-245,9 0C) akan terkumpul dalam kubah kondensor sebagai gas yang tidak terkonsentrasi (tidak mencair). Gas kripton (Tb = -153,2 0C) dan xenon (Tb = -108 0C) mempunyai titik didih yang lebih tinggi dari gas oksigen sehingga akan terkumpul di dalam kolom oksigen cair di dasar kolom destilasi utama. Dengan pengaturan suhu sesuai titik didih, maka masing-masing gas akan terpisah.

Sistem pemisahan helium Ada 2 cara pemisahan helium yaitu: *Pemisahan helium dari gas alam Gas alam I tekan hingga 4,25

Mpa dan dibebaskan dari CO2, hydrogen sulfide dan uap air. Kemudian gas yang sudah dimurnikan tersebut dikondensasikan dengan cara didinginkan dengan heat exchanger. Gas ini dilewatkan pada alat pemisah helium dengan nitrogen sebagai refrigerannya. Pada alat ini 98% gas dicairkan.

*Pemisahan isotop helium Difusi termal digunakan untuk menambah jumlah 3He dengan alasan jumlah 3He pada gas helium sangat kecil. Pemurnin 3He lebih lanjut dilakukan dengan distilasi.

Pemurnian gas Ada 3 cara yang biasa dilakukan dalam kriogenik untuk memisahkan pengotor dari gas yang didinginkan atau dicairkan yaitu: *Pemurnian dengan refrigerasi Cara ini relative mudah untuk

memisahkan pengotor dari gas. Het exchanger diperlukan untuk menyingkirkan endapan padat. Bila pengotor dalam fasa cair, dapat dipisahkan dengan gaya gravitasi (perbedaan densitas).

*Adsorpsi Adsorpsi melibatkan kemampuan mengikat dan ketahanan satu atau lebih permukaan molekul dari sebuah gas pada permukaan sebuah padatan. Absorban yang biasa digunakan adalah bahan gel dan karbon.

*Pemurnian dengan proses kimia Tanki Penyimpanan Cairan Kriogenik dan System Transport Cairan Kriogenik Tangki penyimpanan untuk cairan kriogenik mempunyai 2 bagian, yaitu bagian dalam yang digunakan sebagai tangki untuk menampung produk dan tangki bagian luar sebagai pembatas antara kondisi ambient dengan tangki bagian dalam. Bagian antara tangki dalam dan luar yang biasa disebut annulus merupakan bagian yang diisi oleh lapisan penyekat serta tekanan divakum. Lapisan pemantul dan penyekat serat pemvakuman bagian annulus bertujuan untuk menghalangi dan menghambat terjadinya penyerapan panas dari luar oleh tangki dalam yang jauh lebih dingin.

*Bagian pemantul berguna untuk mengurangi perpindahan radiasi, lapisan penyekat berfungsi untuk mengurangi perpindahan panas konduksi dan pemvakuman berfungsi untuk mengurangi panas konveksi. Selain itu pipa pembuangan uap harus disediakan untuk membuang uap dari cairan kriogenik yang dihasilkan karena adanya panas yang masuk ke tangki dalam.

*Lapisan pemantul dan penyekat serat pemvakuman bagian annulus bertujuan untuk menghalangi dan menghambat terjadinya penyerapan panas dari luar oleh tangki dalam yang jauh lebih dingin. Bagian pemantul berguna untuk mengurangi perpindahan radiasi, lapisan penyekat berfungsi untuk mengurangi perpindahan panas konduksi dan pemvakuman berfungsi untuk mengurangi panas konveksi. Selain itu pipa pembuangan uap harus disediakan untuk membuang uap dari cairan kriogenik yang dihasilkan karena adanya panas yang masuk ke tangki dalam.

Selain itu ada pipa untuk mengisi atau mengosongkan tangki dalam. Pengosongan atau pemindahan cairan di dalam tangki bisa dilakukan dengan cara pressurization atau batang suspensi, sehingga posisi tangki dalam menggantung terhadap tangki luar. Untuk memperkuat dinding tangki, baik bagian dalam maupun bagian luar, biasanya digunakan cincin penguat yang melingkar di bagian dalam atau bagian luar tangki. Dalam perancangan tangki dalam biasanya dirancang untuk tidak diisi penuh 100, tapi hanya diisi kurang lebih 90.

Karena selalu ada panas yang masuk ke tangki sehingga tekanan tangki dalam akan meningkat akibat dari adanya cairan kriogenik yang terevaporasi. Pengaliran Cairan Salah satu cara untuk mengalirkan cairan kriogenik yaitu dengan melewatkan cairan dari tangki dan dipanaskan di dalam evaporator eksternal. Setelah cairan kriogenik menguap, kemudian uap dikembalikan ke dalam tangki melalui difuser. Perubahan volume yang besar membuat kenaikan tekanan dalam tangki. Jumlah cairan untuk menaikkan tekanan tanki diperoleh dengan :

2 g2 – Vg1 g1 Dengan : Vg = volume berlebih

g = berat jenis gas 1,2 = kondisi sebelum dan sesudah penguapan.

*Expanded foams

Multilayer insulations Expanded Foam Busa adalah bahan yang tidak homogen, maka konduktivitas termal dari insulasi jenis ini bergantung dari densitas insulasi itu sendiri dan juga gas yang digunakan untuk membuat foam tersebut. Gas yang digunakan untuk membuat foam insulation adalah karbon dioksida. Salah satu kerugian dari penggunaan jenis insulasi ini adalah besarnya ekspansi thermal. Foam dapat retak atau pecah jika suhu terlalu dingin karena foam akan lebih menyusut dibandingkan tangki sehingga uap air dan udara dapat masuk dan akan menurunkan keefektifan insulasi. Keuntungan : Biaya tidak mahal , Tidak memerlukan jaket vakum Kekurangan : Konstraksi panas tinggi , Konduktivitas mungkin berubah terhadap waktu , Konduktivitas thermal paling besar diantara jenis insulasi yang lain

*Gas filled powders and fibrous materials

Gas Filled Powders and Fibrous Materials Mekanisme dari insulasi ini adalah mengurangi atau menghilangkan transfer panas konveksi karena adanya sedikit kekosongan gas didalam bahan. Keuntungan : Biaya rendah, Dapat mengurangi terjadinya bentuk permukaan insulasi yang tidak rata. Kekurangan : Harus tetap dijaga dalam keadaan kering dengan menggunakan penghalang uap, Bubuk dapat saling menyatu/memadat sehingga konduktivitas thermal meningkat

*Vacuum

Vacuum Insulation (Insulasi vakum) Berfungsi untuk menghilangkan dua komponen yang berhubungan dengan transfer panas yaitu konduksi solid dan konveksi gas. Keuntungan : Heat flux lebih rendah untuk ketebalan yang kecil, Losses dalam pendinginan sangat kecil, Dapat digunakan dengan mudah walau bentuk tangki rumit Kekurangan : memerlukan pemvakuman yang permanen, Batas permukaan harus memiliki emisitivitas yang rendah. 

*Evacuated powder and fibrous material

Evacuated Powder and Fibrous Material Keuntungan : Heat flux lebih rendah dari vacuum alone untuk ketebalan lebih dari 4 in, Tingkat pemvakuman tidak seketat vacuum alone dan insulasi multilayer, Bentuk yang rumit dapat dengan mudah diinsulasi kekurangan : Bubuk dapat memadat bila ada getaran, diperlukan vacuum filter untuk mencegah bubuk masuk ke sistem vakum

* Opacified powders

Opacified Powders Fungsi dari opacifier powder (tembaga atau aluminium) adalah untuk meningkatkan kinerja dari insulasi jenis evacuated powder. Keuntungan : Kinerja yang lebih baik dibandingkan evacuated powder, tingkat pemvakuman tidak seketat vacuum alone dan

Insulasi Multilayer Insulasi multilayer bekerja dalam keadaan vakum agar lebih efektif. Konduktivitas yang kecil pada penyekat banyak lapis bisa terjadi karena semua jenis aliran panas ditekan sampai batas yang paling kecil. Radiasi bisa dikurangi dengan lapisan material yang mempunyai emisi yang rendah. Konduksi bisa dikurangi dengan menggunakan material yang mempunyai konduktivitas rendah. Keuntungan : Memiliki kinerja paling bagus diantara yang lain, ringan, lebih stabil (tidak bermasalah bila terjadi pemadatan bubuk) kekurangan : Biaya per unit volume lebih tinggi, susah diaplikasikan untuk bentuk yang rumit, membutuhkan pemvakuman yang tinggi dibandingkan evacuated powders System Transportasi Cairan Kriogenik

Instrumentasi Kriogenik Hal yang terpenting pada instrumentasi dalam kondisi kriogenik adalah kondisi suhu yang sangat ekstrim, dimana peralatan ukur konvensional tidak dapat digunakan. Berikut aspek-aspek penting berkaitan dengan sifat dan fungsi alat, jenis bahan ukur yg di gunakan untuk system kriogenik. Karakteristik dan sifat alat ukur kriogenik :

• Panas penguapan dan sistem dua fasa

• Expansivity

• Densitas relative

• Stratifikasi Pengukuran suhu

Termometer cairan dalam gelas Untuk suhu dibawah -150 F dapat digunakan cairan seperti pentane, toluene, atau propane. Termometer jenis ini relative murah dan akurasinya berkisar antara 0,5-2 F.

Termometer tahanan metal (Termokopel) Suhu logam akan mempengaruhi tahanan listrik pada logam tersebut. Hal ini menjadi dasar pengukuran menggunakan alat ini. Pada pengukuran suhu dibawah 600 C, thermometer tahanan platinum cukup baik digunakan.

Termometer tahanan semikonduktor Konduktivitas material semikonduktor juga dipengaruhi oleh suhu. Karbon, Germanium, Silicon, dan Tellurium merupakan bahan semikonduktor yang dapat digunakan untuk thermometer ini. Pengukuran tekanan 1. Manometer Manometer adalah alat untuk mengukur tekanan pada suatu lokasi dengan menggunakan prinsip keseimbangan tekanan hidrositas. 2. Bourdon gauge 3. Diaphragm transducer Diaphragm transducer di gunakan untuk pengkuran dinamik dimana terjadi variasi tekanan, Diaphragm merupakan alat yang tepat pada kondisi pengukuran kriogenik.

* Cara kerja sistem kriogenik

untuk sistem kriogenik cara kerjanya dengan memanfaatkan atom-atom garam paramagnetik atau sebagai magnet-magnet kecil, jika garam-garam tersebut tidak termagnetisasi, maka atom-atom akan terorientasi secara acak sehingga gaya-gaya magnet ada dalam keadaan setimbang.

Jika kemudian garam-garam tersebut termagnetisasi ekstra kuat maka atom-atom akan terorientasi sehingga susunannya akan teratur searah dengan medan magnet dan hal tersebut membutuhkan kerja, kerja tersebut dikonversi menjadi panas sehingga temperaturnya akan meningkat

Kemudian setelah didinginkan oleh H₂ dan He cair, medan magnet diambil atau dihilangkan sehingga atom-atom akan kembali terorientasi secara acak, dalam hal ini atom-atom akan melakukan kerja. Karena terisolasi secara adiabatik energi dalam dari garam tersebut akan menurun dan akibatnya tak ada jalan lain kecualibahwa garam tersebut yang harus menurunkan temperaturnya sendiri(secara isentropik hampir sempurna).

Dengan cara ini dapat dicapai temperatur sebesar 0,00001 K atau 10 ⁵.⁻

* Contoh soal

Hitung koefisien joule thomson untuk udara terekspansi secara entalpy konstan dari 14000 kPa ke 100kPa, jika temperatur awal 20 C⁰

Jawab :

20 C = 68 F⁰ ⁰

= = 0,02349 F / Psi⁰

Dari soal diatas berapakah nilai joule thomson untuk udara terekspansi jika temperatur awalnya -75 C⁰

Jawab :

-75 C = -103 F⁰ ⁰

= = 0,0572 F/Psi⁰

Sebutkan dua saja keuntunggan sistem refrigerasi dengan menggunakan sistem kriogenik

*Dengan kapasitas yang kecil bisa mendinginkan temperatur yang sangat besar (-)

*Ompresor yang digunakan bisa berkapasitas kecil sehingga bisa menghemat daya

Jika temperatur awal 25 C dan udara terekspansi secara ⁰konstan dari 20000 kPa ke 250 kPa. Hitung koefisien joule thomson

Jawab :

25 C = 77 F⁰ ⁰

= ,84 F/Psi⁰