TUGAS OPERASI PERPINDAHAN KALOR

PENGERINGAN

Disusun oleh:

VESVIA MIRZA (0807113487)

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA S1

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS RIAU

2011

PENGERINGAN

Pada umumnya pengeringan diartikan sebagai penghilangan sejumlah kecil

air atau cairan lain dari zat padat dengan jalan menguapkanya dalam suatu arus

gas .

Tujuan pengeringan dalam industri antara lain :

1. Untuk menghemat biaya transport.

2. Agar bahan memenuhi spesifikasi untuk dapat diolah lebih lanjut.

3. Untuk menghindari kerusakan seperti pembusukan, korosi, dan lain-lain jika

bahan tersebut disimpan.

Proses pengeringan terbagi menjadi 3 kategori :

1. Pengeringan udara atau pengeringan langsung dibawah tekanan atmosfir

Pengeringan ini memanfaatkan udara bebas di atmosfir

2. Pengeringan hampa udara

Keuntungan dalam pengeringan ini didasarkan dengan kenyataan

penguapan air terjadi lebih cepat di bawah tekanan rendah daripada di

bawah tekanan tinggi.

3. Pengeringan beku

Pengeringan beku adalah sebuah proses yang memberikan kualitas

bahan yang baik dari segi kestabilitas aroma, warna, dan kemampuan

rehidrasi. Pengeringan ini didasarkan proses sublimisasi yang berada di

temperature 0o celcius dan tekanan 613 Pascal.

Metode Pengeringan:

1. Pengeringan alami.

a. Sun Drying

Pengeringan dengan menggunakan sinar matahari sebaiknya

dilakukan di tempat yang udaranya kering dan suhunya lebih dari 100o

Fahrenheit. Pengeringan dengan metode ini memerlukan waktu 3-4

hari. Untuk kualitas yang lebih baik, setelah pengeringan, panaskan

bahan di oven dengan suhu 175 o Fahrenheit selama 10-15 menit untuk

menghilangkan telur serangga dan kotoran lainnya

b. Air Drying

Pengeringan dengan udara berbeda dengan pengeringan dengan

menggunakan sinar matahari. Pengeringan ini dilakukan dengan cara

menggantung bahan di tempat udara kering berhembus. Misalnya di

beranda atau di daun jendela. Bahan yang biasa dikeringkan dengan

metode ini adalah kacang-kacangan. 

Kelebihan Pengeringan Alami adalah tidak memerlukan keahlian dan

peralatan khusus, serta biayanya lebih murah.

Kelemahan Pengeringan Alami adalah membutuhkan lahan yang luas,

sangat tergantung pada cuaca, dan sanitasi hygiene sulit dikendalikan.

 

2. Pengeringan Buatan

a. Menggunakan alat Dehidrator

Pengeringan makanan memerlukan waktu yang lama. Dengan

menggunakan alat dehydrator, makanan akan kering dalam jangka

waktu 6-10 jam. Waktu pengeringan tergantung dengan jenis bahan

yang kita gunakan.

b. Menggunakan oven

Dengan mengatur panas, kelembaban, dan kadar air, oven dapat

digunakan sebagai dehydrator. Waktu yang diperlukan adalah sekitar

5-12 jam. Lebih lama dari dehydrator biasa. Agar bahan menjadi

kering, temperature oven harus di atas 140o derajat Fahrenheit.

Kelebihan Pengeringan Buatan adalah suhu dan kecepatan proses

pengeringan dapat diatur seuai keinginan, tidak terpengaruh cuaca,

sanitisi dan higiene dapat dikendalikan.

Kelemahan Pengeringan Buatan adalah memerlukan keterampilan

dan peralatan khusus, serta biaya lebih tinggi dibanding

pengeringan alami.

Peralatan 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.

1. Tray DrierSalah 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 entang

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 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 umumnay 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. 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 0 oC. Freeze drying

dilakukan khusus untuk mengeringkan vitamin dan berbagai bahan yang peka

terhadap panas.

2. Screen Conveyor Drier

Contoh umum Screen Conveyor Drier dengan sirkulasi tembus

ditunjukkan pada Gambar 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 jeluar di mana bahan sudah kering dan umumnya

jadi berdebu, udara dialirkan ke bawah melalui screen tersebut.

Gambar 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 scree 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, 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.

3. 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 dapats earah dan dapat pula berlawanan arah. turbo drier

pada Gambar 3 adalah salah satu contoh tower drier dengan resirkulasi-dalam

pada gas pemanas. Kipas-kipas turbin digunakan untuk mensirkulasikan udara

atau gas je 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 3. Tower Drier

4. 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, di mana gas

tersebut berada pada kontak dengan zat padat yang dikeringkan.

Gambar 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

5. 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 keluardisedot

melalui pipa yang dipasang pada atap selongsong. Selongsong umumnya

berdiameter 75 sampai 600 mm dan panjangnya dapat sampai 20 ft. Bila

diperlukan selongsong panjang, digunkaan beberapa selongsong yang

dipasang bersusun satu di atas yang lain.

Sering pula unit paling bawah dalam susunan itu merupakan pendingin

di mana 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 jkalor 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 pdat 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.

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.

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.

Kurva Kecepatan Pengeringan

A

Kadar

air

(X)

X*

Waktu, t (menit)

Gambar 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)

A

BC

D

E

N

. B

. C

. D

. E

Gambar 6. Kurva Hubungan Kadar Air Padatan dengan Kecepatan Pengringan.

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*.

2.5. 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 7. Perpindahan Massa dari Fasa Padatan ke Fasa Gas.

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.

X

Y’*Y’

Faktor-faktor yang mempengaruhi pengeringan ada 2 golongan, yaitu:

1. Faktor yang berhubunga dengan udara pengering

Yang termasuk golongan ini adalah:

·        Suhu: Makin tinggi suhu udara maka pengeringan akan semakin

cepat

·        Kecepatan aliran udara pengering: Semakin cepat udara maka

pengeringan akan semakin cepat

·        Kelembaban udara: Makin lembab udara, proses pengeringan akan

semakin lambat

·        Arah aliran udara: Makin kecil sudut arah udara terhadap

posisi bahan, maka bahan semakin cepat kering

 

2. Faktor yang berhubungan dengan sifat bahan

Yang termasuk golongan ini adalah:

·        Ukuran bahan: Makin kecil ukuran benda, pengeringan akan makin

cepat

·        Kadar air: Makin sedikit air yang dikandung, pengeringan akan makin cepat