...

Proses Pengeringan - USU Library

by user

on
Category: Documents
3

views

Report

Comments

Transcript

Proses Pengeringan - USU Library
Proses Pengeringan
Rosdaneli Hasibuan
Program Studi Teknik Kimia
Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara
l. PENDAHULUAN
Apakah pengeringan? Bagaimana pengeringan terjadi? Berapa lamakah
pengeringan harus dijalankan?
Persoalan ini perlu dijawab terlebih dahulu sebelum sesuatu sistem pengeringan
direka bentuk. Tujuan akhir dari sistem pengeringan bukan saja untuk mempercepat
proses pengeringan, akan tetapi juga untuk meningkatkan mutu bahan yang dikeringkan
dan sistem dapat beroperasi dengan biaya relatif rendah. Dengan kata lain, kita ingin
mengoptimumkan operasi sistem pengeringan tersebut.
Sistem pengeringan dapat direka bentuk hanya setelah kita mengetahui prinsip
dasar pengeringan suatu jenis bahan. Hal ini penting untuk menghindari proses
pengeringan lampau dan pengeringan yang terlalu lama, karena kedua proses
pengeringan ini akan meningkatkan biaya operasi.
Metodologi dan teknik pengeringan dapat dikatakan baik apabila kita memahami
konsep pengeringan itu sendiri. Dengan mengetahui konsep tersebut maka dapat
membantu kita menghasilkan satu sistem pengeringan yang handal dan dapat beroperasi
secara optimum.
2. PROSES PENGERINGAN
Bahasa ilmiah pengeringan adalah penghidratan, yang berarti menghilangkan air
dari suatu bahan. Proses pengeringan atau penghidratan berlaku apabila bahan yang
dikeringkan kehilangan sebahagian atau keseluruhan air yang dikandungnya. Proses
utama yang terjadi pacta proses pengeringan adalah penguapan. Penguapan terjadi
apabila air yang dikandung oleh suatu bahan teruap, yaitu apabila panas diberikan kepada
bahan tersebut. Panas ini dapat diberikan melalui berbagai sumber, seperti kayu api,
minyak dan gas, arang baru ataupun tenaga surya.
Pengeringan juga dapat berlangsung dengan cara lain yaitu dengan memecahkan
ikatan molekul-molekul air yang terdapat di dalam bahan. Apabila ikatan molekulmolekul air yang terdiri dari unsur dasar oksigen dan hidrogen dipecahkan, maka molekul
tersebut akan keluar dari bahan. Akibatnya bahan tersebut akan kehilangan air yang
dikandungnya.
Cara ini juga disebut pengeringan atau penghidratan. Untuk memecahkan ikatan
oksigen dan hidrogen ini, biasanya digunakan gelombang mikro. Gelombang mikro
merambat dengan frekuensi yang tinggi. Apabila gelombang mikro disesuaikan setara
dengan getaran molekul-molekul air maka akan terjadi resonansi yaitu ikatan molekulmolekul oksigen dan hidrogen digetarkan dengan kuat pada frekuensi gelombang mikro
yang diberikan sehingga ikatannya pecah.
1
e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
Hal ini yang menyebabkan air tersebut menguap. Proses yang sama terjadi pada
oven gelombang mikro (microwave) yang digunakan untuk memasak makanan.Pada
pembahasan selanjutnya kita tidak akan menyinggung proses pengeringan menggunakan
gelombang mikro, tetapi difokuskan pada pengeringan menggunakan tenaga panas. Hal
ini disebabkan sistem pengeringan gelombang mikro mahal dan tidak digunakan secara
luas untuk mengeringkan suatu bahan terutama dalam sektor pertanian.
Dalam sektor pertanian sistem pengeringan yang umum digunakan adalah tenaga
surya. Pada sistem tenaga surya ini, bahan diexpose ke sinar surya secara langsung
maupun tidak langsung. Uap air yang terjadi dipindahkan dari tempat pengeringan
melalui aliran udara. Proses aliran udara ini terjadi karena terdapat perbedaan tekanan.
Perbedaan tekanan udara ini dapat terjadi secara konveksi bebas maupun konveksi paksa.
Konveksi bebas terjadi tanpa bantuan luar, yaitu pengaliran udara hanya bergantung pada
perbedaan tekanan yang disebabkan oleh perbedaan densitas udara, sedangkan pada
konveksi secara paksa digunakan kipas untuk memaksa gerakan udara.
Pada sistem pengeringan yang bersumberkan tenaga minyak, bahan yang akan
dikeringkan diletakkan di dalam suatu ketel tertutup. Udara panas hasil pembakaran
minyak dialirkan mengenai permukaan bahan tersebut. Akhir-akhir ini, cara tersebut
diatas juga digunakan dalam teknologi tenaga surya. Udara yang dipanaskan oleh
pengumpul surya digunakan untuk menguapkan air pada bahan.
Udara merupakan medium yang sangat penting dalam proses pengeringan, untuk
menghantar panas kepada bahan yang hendak dikeringkan, karena udara satu-satunya
medium yang sangat mudah diperoleh dan tidak memerlukan biaya operasional. Oleh
karena itu untuk memahami bagaimana proses pengeringan terjadi, maka perlu ditinjau
sifat udara.
3. KELEMBABAN UDARA
Komponen yang paling banyak di dalam udara adalah oksigen, nitrogen, dan uap
air. Oksigen dan nitrogen tidak mempengaruhi kelembaban udara, sedangkan kandungan
uap air sangat berpengaruh terhadap kelembaban udara. Udara yang kurang mengandung
uap air dikatakan udara kering, sedangkan udara yang mengandung banyak uap air
dikatakan udara lembab.
Setiap unsur di dalam udara, termasuk uap air, mempengaruhi tekanan udara.
Pada suatu nilai tekanan udara tertentu, tekanan maksimum uap air yang dapat dicapai
dinamakan tekanan jenuh. Jika tekanan melebihi tekanan jenuh akan menyebabkan uap
air kembali membentuk titisan air. Seandainya suhu dinaikkan, tekanan jenuh juga akan
turnt meningkat. Oleh karena itu kita dapat mendefenisikan tekanan jenuh sebagai
tekanan uap air diatas permukaan air mendidih dalam suatu ketel tertutup tanpa udara.
Tekanan jenuh berubah menurut keadaan suhu yang menyebabkan air tersebut
mendidih. Oleh karena itu nilai tekanan jenuh senantiasa berubah. Misalnya, tekanan
jenuh pada 100°C ialah 101,3 kPa sedangkan tekanan jenuh pada suhu 60°C adalah 19,9
kPa. Nilai-nilai ini dapat dilihat pada tabel yang terdapat dalam buku yang ditulis oleh
Dossat (1981). Daftar lengkap sifat air dan uap jenuhnya ada pada lampiran A. Tabel 1.
menunjukkan sebahagian dari tabel tersebut.
2
e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
0
Suhu ( C)
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tekanan
(kPa)
1,23
1,71
2,34
3,17
4,25
5,63
7,38
9,59
12,3
15,8
19,9
Kap.Panas
(MJ/kg)
2,491
2,467
2,456
2,442
2,431
2,419
2,407
2,395
2,383
2,371
2,359
Kelembaban (Kg uap
air/kg udara kering)
0,0076
0,01067
0,0147
0,0201
0,0272
0,0366
0,0489
0,0650
0,0859
0,1149
0,1520
Dari tabel di atas dapat dikatakan bahwa untuk mendidihkan air pada suhu 60°C
kita perlu mengurangi tekanan dari 101,3 kPa menjadi 19,9 kPa seandainya air itu pada
mulanya mendidih pada suhu 100°C. Demikian juga untuk mendidihkan air pada suhu
0
30 C, tekanan maksimum yang dikenakan oleh uap air pada udara adalah 4,25 kPa,
dengan sisanya 97,05 kPa adalah tekanan yang diberikan melalui gabungan tekanan gasgas lain yang membentuk atmosfir, terutama oksigen dan nitrogen.
Kelembaban adalah suatu istilah yang berkenaan dengan kandungan air di dalam
udara. Udara dikatakan mempunyai kelembaban yang tinggi apabila uap air yang
dikandungnya tinggi, begitu juga sebaliknya. Secara matematis, kelembaban
dihubungkan sebagai rasio berat uap air di dalam suatu volume udara dibandingkan
dengan berat udara kering (udara tanpa uap air) di dalam volume yang sama. Pada
beberapa suhu dan tekanan tertentu, rasio ini dinyatakan dalam tabel 1.
Kwantitas panas yang dibutuhkan untuk menguapkan air pada suhu dan tekanan
tertentu disebut kapasitas panas. Kwantitas panas ini juga diberikan pada tabel 1, dari
tabel dapat dilihat bahwa kapasitas panas air bertambah apabila suhu dan tekanan
berkurang. Kenyataan ini sesuai dengan hukum termodinamika. Misalnya, panas yang
0
dibutuhkan untuk menghasilkan uap air pada suhu 100 C dan tekanan 101,3 kPa adalah
2256,9 kj/kg, sedangkan untuk menguapkan air pada suhu 30°C dan tekanan 4,25 adalah
2431,0 kj/kg.
Keadaan suhu, tekanan dan kandungan uap air udara dikenal sebagai kualitas
udara. Setelah kualitas udara diketahui, barulah kita dapat mengkaji kemampuan udara
menguapkan air yang berada dalam suatu bahan, karena bahan yang akan dikeringkan
selalu berada di dalam udara berkualitas tertentu.
Pengalaman sehari-hari kita dapati bahwa sejumlah udara hanya mampu untuk
mengeringkan suatu bahan atau menguapkan air dari suatu bahan apabila bahan tersebut
tidak seratus persen lembab. Dengan kata lain, kemampuan udara untuk menguapkan air
dalam suatu bahan pada proses pengeringan adalah maksimum apabila udara tersebut
kering dan nol apabila udara tersebut jenuh dengan uap air. Pada keadaan biasa, udara
tidak seratus persen kering atau lembab, sehingga udara masih mampu melakukan proses
pengeringan apabila bahan-bahan yang mengandung air diletakkan di dalamnya.
3
e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
3.1. Psikrometer
Bagaimanakah kita dapat mengukur atau mengetahui kwalitas suatu udara? Di
dalam laboratorium atau ruangan tertentu yang memerlukan pengontrolan udara sering
terdapat alat yang terdiri dari dua termometer yang diletakkan bersebelahan. Pada salah
satu termometer bola kaca yang menempati air raksa dibalut dengan kain basah
sedangkan bola kaca yang satunya lagi dibiarkan kering. Alat ini dinamakan psikrometer,
yaitu meter yang digunakan untuk mengukur kelembaban udara.
Jika psikrometer ini berada pada udara jenuh, kedua termometer akan
memberikan bacaan yang sama. Hal ini disebabkan kedua bola kaca berada dalam
keadaan lembab yang sama, yaitu seratus persen lembab, tetapi seandainya udara tersebut
tidak seratus persen jenuh, sebahagian dari air yang membasahi kain bola kaca pada
termometer tersebut akan menguap, sehingga menyebabkan sebahagian dari tenaga akan
digunakan dalam proses penguapan ini. Akibatnya, suhu pada termometer ini akan lebih
rendah berbanding dengan bacaan suhu pada termometer kering. Termometer diletakkan
bersebelahan pada tekanan yang sama, oleh karena itu hubungan antara kedua suhu akan
memberikan nilai kelembaban udara yang ditempatinya. Uap air dapat jenuh pada suhu
dan tekanan yang berbeda, sehingga pada tekanan yang lain kedua termometer pada
psikrometer akan memberikan bacaan yang berbeda pula.
Hubungan antara kelembaban, suhu termometer basah, suhu termometer kering,
dan tekanan biasanya dinyatakan dalam suatu chart yang dikenal sebagai psikrometri
chart seperti yang digambarkan pacta gambar L 1 pada lampiran. Pada gambar L 1. kadar
kelembaban udara diberikan oleh sumbu-y disebelah kanan, clan suhu termometer kering
diberikan oleh sumbu-x. Kurva paling atas menyatakan suhu termometer basah yang
merupakan suhu uap air jenuh atau suhu titik embun (perkataan titik embun berasal dari
penelitian yang dilakukan terhadap rumput pada pagi hari dengan embun yang terbentuk
di atasnya, pada saat itu suhunya hampir sama dengan bola termometer basah).
Kurvakurva lainnya yang terletak di antara sumbu suhu termometer kering dengan kurva
. termometer basah merupakan kurva kelembaban relatif (dinyatakan dalam persen). Dari
defenisi di atas, kadar kelembaban relatif dapat dinyatakan sebagai:
Kadar kelembaban relatif=
Tekanan parsial uap air pada suatu suhu
-------------------------------------------------Tekanan jenuh uap air pada suhu tersebut
(i)
Garis-garis lurns dari bahagian atas kurva titik embun yang menurnn ke sumbu
suhu termometer kering adalah garis suhu tetap termometer basah. Persilangan antara
suhu termometer basah dengan termometer kering memberikan nilai kualitas udara pada
suatu kelembaban relatif dan kandungan uap aimya. Garis lain yang lebih curam daripada
garis bola basah tetap adalah garis entalpi tetap , atau kandungan jumlah panas dalam
udara yang diukur dalam unit panas per berat udara kering.
Garis miring positif yang kelihatan agak menegak adalah garis yang memberikan
nilai volume spesifik udara leering, yaitu volume yang ditempati oleh satu kilogram
udara kering pada satu keadaan tertentu seperti terdapat dalam gambar L1. Berdasarkan
psikometri chart kita dapat menentukan kualitas udara. Dengan kata lain, chart ini akan
memberikan semua nilai yang dimiliki oleh udara tersebut dengan hanya melihat dua
termometer tadi. Jika udara tersebut hendak digunakan pada proses pengeringan, chart ini
4
e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
dapat digunakan untuk menghitung panas yang terlibat. Ringkasan dari pembacaan chart
dapat dibuat kesimpulan sebagai berikut:
1. Garis mendatar menggambarkan proses pemanasan atau pendinginan udara tanpa
merubah kandungan uap aimya. Dengan proses pemanasan, kelembaban relatif udara
di sepanjang garis ini akan berkurang, sedangkan kelembaban relatif bertambah
apabila udara didinginkan
2. Garis suhu termometer basah merupakan garis adiabak. Pada proses pengeringan, jika
udara dialirkan pada bahan basah maka kwantitas panas di dalam udara akan
dipindahkan ke permukaan bahan basah tersebut. Hal ini menyebabkan terjadinya
proses penguapan yang mengakibatkan udara menjadi dingin sehingga tak ada
sembarang panas yang hilang atau bertambah, seperti yang digambarkan oleh garis
adiabatik.
3. Pada proses pengeringan, garis volume spesifik tidak digunakan. Walaupun demikian,
garis ini memberikan gambaran kepada kita bahwa pada suhu tertentu, densitas udara
berkurang apabila suhu atau kelembaban relatifnya bertambah.
3.2. Cara Menggunakan Carta Psikrometri
Menentukan kualitas suatu udara dalam proses pengeringan dapat dilakukan
dengan menggunakan psikrometri chart. Sebagai contoh, udara pada hari tertentu
memberikan bacaan suhu termometer kering 25°C dan termometer basah 20°c. Dengan
menggunakan psikrometer chart sepert ditunjukkan gambar 1. dapat ditarik garis untuk
kedua hargabacaan termometer, persilangan antara garis suhu termometer basah dengan
suhu termometer kering menunjukkan udara tersebut mempunyai kelembaban relatif
63%. Kadar kelembabannya adalah 0,01255 kg uap air per kg udara kering. Tekanan
parsial yang bersesuaian pada keadaan ini adalah 2,10 kPa.
Suhu Bola Kering
5
e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
Gambar 1. Proses pengeringan berdasarkan psikrometri chart
Oleh karena kelembaban relatif udara adalah 63%, udara masih mampu menguapkan
permukaan basah, sehingga kelembabannya menjadi 100%. Di samping kualitas udara,
proses penguapan air dari permukaan basah juga memerlukan kuantitas lain, yaitu panas
karena panas (tenaga) yang dapat menguapkan air. Panas ini diperoleh dari udara yang
menjadi medium pengering. Oleh karena itu kita dapat melakukan dua tinjauan yaitu:
1. Jika tidak ada penambahan panas dari luar, udara yang dialirkan ke permukaan basah
akan menguapkan air pada permukaan basah tersebut, bergantung pada jumlah panas
yang dimilikinya. Dengan demikian udara akan menambah kelembaban relatif udara
dari 63% hingga maksimum 100%. Pada psikometri chart, proses ini berlangsung di
sepanjang garis AB, yaitu garis suhu termometer lembab 20°C (lihat gambar 1).
Berdasarkan chart ini nyatalah kadar kelembaban akhir yang dicapai dalam proses
tersebut adalah 0,01466. Maka uap air yang diuapkan oleh udara adalah 0,01466 0,01255 = 0,0021 kg uap air per kg udara kering.
2. Seandainya udara tersebut dipanaskan hingga suhu 40°C, maka kandungan uap air di
dalam udara itu masih sama, akan tetapi berdasarkan psikrometri chart temyata
kelembaban relatif udara berkurang dari 63% menjadi 27,5%, dan kadar
kelembabannya masih 0,01255. Jika dalam proses pengeringan tersebut udara
disejukkan secara adiabatik, garis suhu termometer basah 24,5°C hingga ke titik
embun (disepanjang garis CD dalam gambar 1). Kadar kelembaban akhir adalah
0,01942. Air dari permukaan basah yang dapat diuapkan oleh udara panas adalah
0,01942 - 0,01255 = 0,00687 kg uap air/kg udara kering, yaitu tiga kali lebih besar
dari yang dapat dikeringkan oleh udara tanpa dipanaskan.
Secara praktisnya langkah di atas mungkin tidak dipatuhi sepenuhnya, yaitu garis tidak
mencapai titik embun setepatnya, karena proses adiabatik merupakan proses yang amat
langka. Contoh di atas dapat memberikan gambaran kepada kita bahwa secara teori
dengan sedikit penambahan panas pacta udara akan meningkatkan kemampuan
penguapan air pada suatu permukaan basah.
Faktor yang menyebabkan analisis contoh di atas tidak tepat adalah psikrometri
chart standar yang diberikan, yang dilukis berdasarkan nilai tekanan udara standar yaitu
diambil pada tekanan atmosfir standar 101,325 kPa, sedangkan dalam proses pengeringan
suatu permukaan basah syarat ini tidak selalu dipatuhi.
Daftar Pustaka
Dossat, RJ., 1981. Principle of Refrigeration, 2nd Ed. New york: Jhon WiIey and Sons
Brenndorfer, B. 1985. Solar Dryers- Their Role in Postharvest Processing. London:
Commonwealth Science Council.
ExelI, R.B., 1980. A Simple Solar Rice Dryer: Basic Design Theory, da1am Sunworl,
Vol. 4 (6), New York: Pergamon Press.ha1aman 186-191
Gusdorf, J.M. dan Fou1kes, E.G., 1986. Oboe Solar Dryers: Design and Field Testing,
dalam Pros. Inters011985, 2 ha1aman 1053-1060
6
e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
Fly UP