OPTIMASI PENGGUNAAN ADSORBEN MOLECULAR SIEVE 13X PADA PENGERING SURYA SISTEM INTEGRASI MATAHARI DAN DESIKAN SKRIPSI

Transkripsi

1 OPTIMASI PENGGUNAAN ADSORBEN MOLECULAR SIEVE 13X PADA PENGERING SURYA SISTEM INTEGRASI MATAHARI DAN DESIKAN SKRIPSI Oleh FITRI SIREGAR DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN JULI 2016

2 OPTIMASI PENGGUNAAN ADSORBEN MOLECULAR SIEVE 13X PADA PENGERING SURYA SISTEM INTEGRASI MATAHARI DAN DESIKAN SKRIPSI Oleh FITRI SIREGAR SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA JULI 2016

3 PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul: OPTIMASI PENGGUNAAN ADSORBEN MOLECULAR SIEVE 13X PADA PENGERING SURYA SISTEM INTEGRASI MATAHARI DAN DESIKAN dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya. Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila kemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku. Medan, Juli 2016 Fitri Siregar NIM i

4 PENGESAHAN UNTUK UJIAN SKRIPSI Skripsi dengan judul: OPTIMASI PENGGUNAAN ADSORBEN MOLECULAR SIEVE 13X PADA PENGERING SURYA SISTEM INTEGRASI MATAHARI DAN DESIKAN dibuat untuk melengkapi persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini telah diujikan pada sidang ujian skripsi pada 22 Juli 2016 dan dinyatakan memenuhi syarat/sah sebagai skripsi pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Mengetahui, Medan, Juli 2016 Koordinator Skripsi Dosen Pembimbing Ir. Renita Manurung, MT Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi Lubis, MS NIP NIP Dosen Penguji I Dosen Penguji II Ir. Bambang Trisakti, MT Prof. Dr. Rosdanelli Hasibuan, MT NIP NIP ii

5 PRAKATA Puji dan syukur Penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan Skripsi dengan judul Optimasi Penggunaan Adsorben Molecular Sieve 13X pada Pengering Surya Sistem Integrasi Matahari dan Desikan, berdasarkan hasil penelitian yang Penulis lakukan di Laboratorium Energi Baru/Terbarukan Balai Riset dan Standarisasi Industri Medan. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik. Hasil penelitian ini memberikan informasi mengenai solusi yang dapat digunakan pada malam hari untuk mencegah uap air yang ada di udara masuk kembali ke dalam bahan yang sudah setengah kering pada siang harinya mengingat kakao sangat rentan terhadap tumbuhnya jamur. Selama melakukan penelitian hingga penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat pengarahan dan bimbingan dari dosen pembimbing penulis. Untuk itu secara khusus penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang sebesarbesarnya kepada Bapak Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi Lubis, MS dan Ibu Dr. Ir. Sari Farah Dina, MT. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan. Medan, Juli 2016 Penulis Fitri Siregar iii

6 DEDIKASI Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada : 1. Kedua orang tua tercinta, Anthony Siregar dan Rosmaida Sijabat serta kakak Evi dan adik-adik tercinta, Ria, Albert, dan Erick yang telah banyak mendukung dan mendoakan penulis sampai saat ini. 2. Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi Lubis, M.S, selaku dosen pembimbing dan Sekretaris Departemen Teknik Kimia USU. 3. Dr. Ir. Sari Farah Dina, M.T, selaku dosen pembimbing lapangan yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan dalam menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini. 4. Ir. Bambang Trisakti, M.T dan Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hasibuan, M.T yang telah memberikan saran dan masukan untuk kesempurnaan skripsi ini. 5. Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Kimia USU. 6. Ibu Ir. Renita Manurung, M.T, selaku Koordinator Skripsi Departemen Teknik Kimia USU. 7. Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi Lubis, M.S sebagai Dosen Pembimbing Akademik. 8. Seluruh Dosen/Staf Pengajar dan Pegawai Administrasi Departemen Teknik Kimia USU yang telah memberikan banyak sekali ilmu yang sangat berharga kepada penulis. 9. Klaudia K.Y. Marbun atas kerjasamanya yang baik hingga akhir selama melakukan penelitian dan penulisan skripsi ini. 10. Sahabat-sahabat terbaik yang selalu memberikan dukungan serta doa untuk penulis yaitu Franshot, Elinda, Dison, Melody, Jhonson, Roma, Ristorisna, dan Yeni. 11. Sahabat-sahabat stambuk 2011 di Teknik Kimia USU khususnya Happy, Nora, Klaudia, Henni, Dessy, Fahmi, Iloan, dan Edy yang telah memberikan banyak dukungan dan semangat kepada penulis. iv

7 RIWAYAT HIDUP PENULIS Nama : Fitri Siregar NIM : Tempat, tanggal lahir : Lobutangga, 23 Juli 1993 Nama orang tua : Anthony Siregar dan Rosmaida Sijabat Alamat orang tua : Jl. Melanthon Siregar, Lobutangga, Silalitoruan, Muara Asal Sekolah: SD Negeri No Muara tahun SMP Negeri 1 Muara tahun SMA Negeri 1 Muara tahun Pengalaman Kerja dan Organisasi: 1. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2014/2015 sebagai Anggota Bidang Sosial dan Rohani. 2. Ikatan Anak Muara (AMURA) Medan periode 2013/2014 sebagai Anggota Bidang Sosial dan Rohani 3. Kerja Praktek di PT Pertamina EP Asset 1 Pangkalan Susu Field Prestasi yang pernah diperoleh : 1. Peserta Cerdas Cermat Tingkat SMP Se-Kabupaten Tapanuli Utara Tahun Peserta Olimpiade Sains Tingkat SMA Se-Kabupaten Tapanuli Utara Tahun Peserta Cerdas Cermat Tingkat SMA Se-Kabupaten Tapanuli Utara Tahun Peserta Pekan Olahraga dan Seni Se-Kabupaten Tapanuli Utara Tahun 2010 Artikel yang akan dipublikasikan pada : 1. Jurnal Teknik Kimia Fakultas Teknik yang berjudul Optimasi Penggunaan Adsorben Molecular Sieve 13X pada Pengering Surya Sistem Integrasi Matahari dan Desikan v

8 ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh pertambahan massa adsorben terhadap efektivitas pengeringan malam hari, menentukan nilai difusivitas pengeringan kakao, menetukan model kinetika pengeringan kakao, mengetahui nilai konsumsi energi spesifik, dan mengetahui laju pengeringannya. Bahan yang digunakan adalah biji kakao fermentasi. Variabel berubah dalam penelitian ini adalah massa adsorben yaitu 0,5 kg, 1 kg, dan 1,5 kg. Pengeringan dilakukan menggunakan energi surya selama siang hari yang dilakukan mulai pukul WIB sampai dengan pukul WIB dengan Indirect Solar Dryer dan dilanjutkan dengan penggunaan adsorben pada pukul WIB WIB. Pengeringan dihentikan pada saat dicapai berat konstan. Hasil pengeringan terbaik diperoleh dari perbandingan massa kakao dan absorben 1:3. Pada malam hari, massa kakao berkurang 17% 22% dengan rentang RH 56% 90%. Difusivitas efektif dari hasil pengeringan kakao berada pada rentang 1,11 x ,38 x (m 2 /detik). Model kinetika yang paling sesuai untuk pengeringan kakao dengan variasi massa absorben ini adalah Model Page. Konsumsi energi spesifik paling rendah yaitu 18,58 MJ/kg H2O yang diuapkan. Laju pengeringan rata-rata adalah 0,009 kg H2O/jam/kg berat kering dengan kadar air akhir 5,89% serta waktu pengeringan 27,6 jam. Kata Kunci : pengeringan biji kakao hasil fermentasi, pengeringan kontinu energi surya dan adsorben, efektifitas pengeringan, konsumsi energi spesifik, model kinetika pengeringan, difusivitas efektif vi

9 ABSTRACT This study aims to determine the effect of the adsorbent mass accretion to the effectiveness of drying during off-sunshine, determining the value of effective diffusivity drying cocoa, determine the kinetics model for drying cocoa, knowing the value of specific energy consumption, and knowing the drying rate. Material used is fermented cocoa beans. Variable change in this study is the mass of the adsorbent are 0,5 kg, 1 kg, and 1,5 kg. Drying is using solar energy during sunshine hours, start at 9 a.m to 5 p.m. and continued by adsorbent during off-sunshine, start at 5 p.m to 9 a.m. Drying is done if the mass of the cocoa is constant. The best results of this study are obtained from in comparison mass of the cocoa and absorbent 1 :3. In the offsunshine mass of the cocoa reduce 17% - 22% with a range of RH 56% - 90%. Effective diffusivity cocoa is in the range 1,11 x ,38 x (m 2 /sec). The most suitable kinetics model for drying cocoa is a Page model. The lowest of specific energy consumption is 18,58 MJ/kg moist. The average of drying rate is 0,009 kg H2O/hour/kg dry mass with a moisture content 5,89% and the drying time 27,6 hours. Key words: drying of fermented cocoa beans, continuous solar drying with adsorbent, effectiveness of drying, specific energy consumption, kinetics model of drying cocoa, and effective diffusivity of cocoa vii

10 DAFTAR ISI Halaman PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i PENGESAHAN ii PRAKATA iii DEDIKASI iv RIWAYAT HIDUP v ABSTRAK vi ABSTRACT vii DAFTAR ISI viii DAFTAR GAMBAR xi DAFTAR TABEL xiii DAFTAR LAMPIRAN xiv DAFTAR SINGKATAN xvi DAFTAR SIMBOL xvii BAB I PENDAHULUAN LATAR BELAKANG PERUMUSAN MASALAH TUJUAN PENELITIAN MANFAAT PENELITIAN RUANG LINGKUP PENELITIAN 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ENERGI MATAHARI KAKAO (Theobroma cocoa L.) PENGERINGAN KOLEKTOR MOLECULAR SIEVE SEBAGAI ADSORBEN KINETIKA PENGERINGAN Moisture Content 12 viii

11 2.6.2 Drying Rate Difusivitas KONSUMSI ENERGI SPESIFIK (KES) 16 BAB III METODOLOGI PENELITIAN LOKASI PENELITIAN BAHAN DAN PERALATAN YANG DIGUNAKAN Bahan yang Digunakan Peralatan yang Digunakan Peralatan Pengujian DIAGRAM KERJA PROSEDUR KERJA Efektivitas Pengeringan Siang Hari Efektivitas Pengeringan Malam Hari Difusivitas Efektif Model Kinetika Pengeringan yang Sesuai Konsumsi Energi Spesifik Hubungan Laju Pengeringan dengan Waktu dan Kadar Air FLOWCHART PENELITIAN 27 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN EFEKTIFITAS PENGERINGAN Efektifitas Pengeringan Tenaga Surya Efektifitas Desikan Pada Proses Dehidrasi Biji Kakao pada Malam Hari HUBUNGAN MOISTURE CONTENT TERHADAP WAKTU HUBUNGAN LAJU PENGERINGAN DENGAN WAKTU HUBUNGAN LAJU PENGERINGAN TERHADAP MOISTURE CONTENT MODEL PENGERINGAN Hubungan Moisture Ratio Terhadap Waktu 37 ix

12 4.5.2 Analisa Model Pengeringan Kesesuaian Model Pengeringan DIFFUSIVITAS EFEKTIF (Deff) KONSUMSI ENERGI SPESIFIK (KES) 44 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN KESIMPULAN SARAN 47 DAFTAR PUSTAKA 48 x

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Prinsip Pengeringan Secara (a) Langsung (b) Tidak Langsung 8 Gambar 2.2 Bagian Bagian Kolektor 10 Gambar 3.1 Laptop 20 Gambar 3.2 RH dan T Data Logger 20 Gambar 3.3 Hobo Microstation Data Logger 21 Gambar 3.4 Load Cell 21 Gambar 3.5 Thermolaser 21 Gambar 3.6 Diagram Kerja Pengeringan Kakao Energi Surya Menggunakan Adsorben Molecular Sieve 21 Gambar 3.7 Prosedur Pengukuran 25 Gambar 3.8 Flowchart Penelitian Optimasi Penggunaan Adsorben Molecular Sieve pada Pengering Surya Sistem Integrasi Matahari dan Desikan dengan Perbandingan Jumlah Adsorben dan Bahan Baku 27 Gambar 4.1 Kondisi Cuaca pada Saat Pengeringan Siang Hari Berlangsung pada Pengeringan Surya + Adsorben dengan Perbandingan (a) 1:1, (b) 1:2, (c) 1:3 30 Gambar 4.2 Temperatur dan RH didalam Box Pengering Surya + Adsorben 31 Gambar 4.3 Besar Penguapan Air pada Malam Hari 32 Gambar 4.4 Penurunan Kadar Air Bahan Terhadap Waktu 34 Gambar 4.5 Hubungan Laju Pengeringan dengan Waktu 35 Gambar 4.6 Hubungan Laju Pengeringan Terhadap Moisture Content 36 Gambar 4.7 Hubungan Moisture Ratio Terhadap Waktu 38 Gambar 4.8 Kesesuaian Nilai MR (Moisture Ratio) Model Page, Newton, Logaritma dan Handerson - Pabis dengan MR Observasi Pada Perbandingan 1:1 42 Gambar 4.9 Kesesuaian Nilai MR (Moisture Ratio) Model Page, Newton, Logaritma dan Handerson - Pabis dengan MR Observasi Pada Perbandingan 1:2 42 Gambar 4.10 Kesesuaian Nilai MR (Moisture Ratio) Model Page, Newton, Logaritma dan Handerson - Pabis dengan MR Observasi Pada xi

14 Perbandingan 1:3 43 Gambar 4.11 Perbandingan Nilai Difusivitas Efektif 44 Gambar 4.12 Perbandingan Nilai Konsumsi Energi Spesifik 45 Gambar L2.1 Grafik Ln MR vs t pada Perbandingan Kakao dan Adsorben 1:1 73 Gambar L2.2 Grafik Ln (-Ln MR) vs Ln t pada Perbandingan Kakao dan Adsorben 1:1 74 Gambar L2.3 Grafik Ln MR vs Waktu dengan intercept = 0 pada Perbandingan Kakao dan Adsorben 1:1 75 Gambar L2.4 Grafik Ln MR vs Waktu pada Perbandingan Kakao dan Adsorben 1:1 76 Gambar L2.5 Grafik MR vs Waktu pada Perbandingan Kakao dan Adsorben 1:1 77 Gambar L3.1 Foto Alat Indirect Solar Dryer 92 Gambar L3.2 Foto Sampel Kakao Sebelum Pengeringan 92 Gambar L3.3 Foto Sampel Kakao pada Pengeringan Malam Hari 93 Gambar L3.4 Foto Sampel Kakao Setelah Pengeringan 93 xii

15 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Model Kinetika Pengeringan yang Digunakan 14 Tabel 3.1 Tabel Pengukuran yang Dilakukan dalam Penelitian 26 Tabel 4.1 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao 33 Tabel 4.2 Bentuk Linear Model Pengeringan Lapisan Tipis 39 Tabel 4.3 Nilai Konstanta dan R 2 Masing-Masing Model Pengeringan 40 Tabel 4.4 Nilai R 2, χ 2 dan RMSE 41 Tabel L.1.1 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao dengan Perbandingan Massa Kakao : Adsorben 1 : 1 52 Tabel L.1.2 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao dengan Perbandingan Massa Kakao : Adsorben 1 : 2 57 Tabel L.1.3 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao dengan Perbandingan Massa Kakao : Adsorben 1 : 2 61 Tabel L.1.4 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari dengan Perbandingan Massa Kakao : Adsorben 1 : 1 66 Tabel L.1.5 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari dengan Perbandingan Massa Kakao : Adsorben 1 : 1 68 Tabel L.1.6 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari dengan Perbandingan Massa Kakao : Adsorben 1 : 1 69 Tabel L.2.1 Bentuk Linear Model Kinetika Karakteristik Pengeringan 74 Tabel L.2.2 Sifat Fisik Udara pada Temperatur Film 311,11 K 79 Tabel L.2.3 Sifat Fisik Udara pada Temperatur Film 305,23 K 82 Tabel L.2.4 Sifat Fisik Udara pada Temperatur Film 318,77 K 84 xiii

16 DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN 1 DATA PENELITIAN 52 L1.1 DATA HASIL PENGERINGAN 52 L1.2 DATA RELATIVE HUMIDITY (RH),SUHU LINGKUNGAN, DAN INTENSITAS RADIASI MATAHARI 66 LAMPIRAN 2 CONTOH PERHITUNGAN 71 L2.1 PERHITUNGAN BERAT KERING 71 L2.1.1 Perhitungan Berat Kering Untuk Sampel Perbandingan Massa Kakao dan Adsorben 1:1 71 L2.2 PERHITUNGAN KADAR AIR 71 L2.2.1 Perhitungan Kadar Air Untuk Untuk Sampel Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 71 L2.3 PERHITUNGAN LAJU PENGERINGAN 71 L2.3.1 Perhitungan Laju Pengeringan Untuk Sampel Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 72 L2.4 PERHITUNGAN MOISTURE RATIO 72 L2.4.1 Perhitungan Moisture Ratio Untuk Sampel Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 72 L2.5 PERHITUNGAN DIFFUSIVITAS EFEKTIF 73 L2.5.1 Perhitungan Diffusivitas Efektif Untuk Sampel Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 73 L2.6 MODEL MATEMATIKA PENGERINGAN 74 L2.6.1 Perhitungan MRpred 74 L2.6.2 Perhitungan RSME (Root Mean Square Error) 77 L2.6.3 Perhitungan χ 2 (Chi Square) 78 L2.7 MENGHITUNG KECEPATAN PROFIL KOLEKTOR 78 L2.8 MENGHITUNG TEMPERATUR MASUK RUANG PENGERING 81 L2.9 MENGHITUNG KOEFISIEN KONVEKSI 82 L2.10 MENGHITUNG KEHILANGAN PANAS 85 xiv

17 L2.11 MENGHITUNG PANAS MASUK (QIN) PADA KOLEKTOR 89 L2.12 MENGHITUNG PANAS YANG DIGUNAKAN (QU) PADA KOLEKTOR 90 L2.14 MENGHITUNG KONSUMSI ENERGI SPESIFIK 91 LAMPIRAN 3 DOKUMENTASI PENELITIAN 92 L3.1 FOTO ALAT INDIRECT SOLAR DRYER 92 L3.2 FOTO SAMPEL KAKAO SEBELUM PENGERINGAN 92 L3.3 FOTO SAMPEL KAKAO PADA PENGERINGAN MALAM HARI 93 L3.4 FOTO SAMPEL KAKAO SESUDAH PENGERINGAN 93 xv

18 DAFTAR SINGKATAN DR RH ISD MR RSME PCM Drying Rate Relatif Humudity Indirect Solar Drying Moisture Ratio Root Mean Square Error Phase Change Material xvi

19 DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Satuan A Luas Bahan M dm Perubahan massa sampel Gram dt Perubahan waktu m Massa sampel Gram W Berat sampel Gram t waktu Jam atau menit Mo Berat awal bahan Gram Mt Berat saat t Gram Mc Berat bahan saat setimbang Gram T Suhu o C L Setengah tebal bahan Cm Deff Difusivitas Efektif m 2 /detik R 2 Koefisien determinan - a Konstanta model pengeringan - k Konsanta model pengeringan - n Konstanta model pengeringan - χ 2 Chi square - N Jumlah data - Z Jumlah data konstan - MRexp MR percobaan - MRpred MR prediksi - b Bawah - dd Dinding - d Permukaan dalam - l Permukaan luar - k Kering sampel - kc Kaca - ky Kayu - xvii

20 o Kondisi awal - p Plat absorber - r Reaksi - rw Rockwool - st Styrofoam - t Kondisi pada t detik - ud Udara - loss Hilang - rad Radiasi - F Faktor efisiensi kolektor (90%) % h Koefisien konveksi W/m 2.K I Intensitas radiasi matahari W/m 2 k Konduktivitas termal W/m.K Q Jumlah panas J r Jari-jari ekivalen bola M T Temperatur K, o C t Waktu Detik v Kecepatan rata-rata m/s H entalpi kj xviii