SKRIPSI RK 1583 PERMODELAN PERPINDAHAN MASSA PADA PROSES PENGERINGAN LIMBAH PADAT INDUSTRI TAPIOKA DI DALAM TRAY DRYER AULIA AGUS KURNIADY NRP 2303 109 016 NIDIA RACHMA SETIYAJAYANTRI NRP 2306 100 614 Dosen Pembimbing Dr. Ir. Susianto, DEA Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT Laboratorium Perpindahan Massa dan Panas JURUSAN TEKNIK KIMIA Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2009 1
FINAL PROJECT RK 1583 MASS TRANSFER MODELLING FOR DRYING PROCESS THE TAPIOCA INDUSTRY SOLID WASTE IN TRAY DRYER AULIA AGUS KURNIADY NRP 2303 109 016 NIDIA RACHMA SETIYAJAYANTRI NRP 2306 100 614 Advisor Lecture Dr. Ir. Susianto, DEA Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT Mass and Heat Transfer Laboratory CHEMICAL ENGINEERING DEPARTMENT Faculty Of Industrial Technology Sepuluh Nopember Institute Of Technology Surabaya 2009 2
PERMODELAN PERPINDAHAN MASSA PADA PROSES PENGERINGAN LIMBAH PADAT INDUSTRI TAPIOKA DI DALAM TRAY DRYER TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Oleh : AULIA AGUS K. NIDIA RACHMA S. Nrp. 2303109016 Nrp. 2306100614 Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir : 1. Dr. Ir. Susianto, DEA... (Pembimbing 1) 2. Prof. Dr.Ir. Kusno Budhikarjono,MT... (Pembimbing 2) 3. Dr. Ir. Tontowi Ismail, MS... (Penguji I) 4. Ir. Mulyanto, MT... (Penguji II) SURABAYA Agustus 2009 3
LEMBAR PERSETUJUAN Skripsi dengan Judul : PERMODELAN PERPINDAHAN MASSA PADA PROSES PENGERINGAN LIMBAH PADAT INDUSTRI TAPIOKA DI DALAM TRAY DRYER Telah diperiksa dan disetujui oleh : Dosen Pembimbing 1 Dosen Pembimbing 2 Dr. Ir. Susianto, DEA Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT NIP. 131 846 109 NIP. 130 532 041 Mengetahui, Kepala Laboratorium Perpindahan Massa dan Panas Prof. Dr. Ir. Ali Altway, MS NIP. 130 519 878 Penyusun, Aulia Agus K. Nidia Rachma S. 2303 109 016 2300 100 614 4
KATA PENGANTAR Puji syukur kami sampaikan kehadirat Allah SWT karena hanya dengan rahmat dan berkah-nya kami dapat menyelesaikan Laporan Skripsi dengan judul: PERMODELAN PERPINDAHAN MASSA PADA PROSES PENGERINGAN LIMBAH PADAT INDUSTRI TAPIOKA DI DALAM TRAY DRYER Laporan Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar kesarjanaan di Jurusan Teknik Kimia FTI- ITS Surabaya. Pada kesempatan ini, kami menyampaikan terima kasih kepada: 1. Bapak Dr. Ir. Tri Widjaja, M.Eng selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS. 2. Bapak Dr. Ir. Susianto, DEA selaku Sekretaris Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS. 3. Bapak Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT selaku Kasie Tugas Akhir Teknik Kimia FTI-ITS. 4. Bapak Prof. Dr. Ir. Ali Altway, MS selaku Kepala Laboratorium Perpindahan Massa dan Panas. 5. Bapak Dr. Ir. Susianto, DEA dan Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT selaku dosen pembimbing yang telah memberikan banyak masukan bagi kami. 6. Orangtua dan keluarga kami atas segala kasih sayang dan pengertian yang telah diberikan. 7. Teman-teman di Laboratorium Perpindahan Massa dan Panas atas kebersamaannya. 5
8. Semua pihak yang telah membantu secara langsung maupun tidak, sehingga kami dapat menyelesaikan Laporan Skripsi ini. Kami menyadari bahwa Laporan Skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kami mengharapkan saran dan kritik yang membangun. Surabaya, Agustus 2009 Penyusun 6
PERMODELAN PERPINDAHAN MASSA PADA PROSES PENGERINGAN LIMBAH PADAT INDUSTRI TAPIOKA DI DALAM TRAY DRYER Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Susianto, DEA Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT Disusun oleh : Aulia Agus K. NRP. 2303 109 016 Nidia Rachma S. NRP. 2306 100 614 ABSTRAK Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan model matematis proses pengeringan limbah padat tapioka di dalam tray dryer dan mengestimasi harga parameter model difusivitas efektif (D eff ) dan koefisien perpindahan massa uap air pada permukaan padatan ke udara pengering (k G ). Penelitian dilaksanakan dengan mengembangkan model matematis yang didasarkan pada konsep hukum II Fick untuk difusi pada padatan berbentuk lempeng (slab). Faktor partisi dimasukkan dalam model pengeringan pada penelitian ini untuk kondisi batas pada permukaan padatan limbah tapioka. Persamaan diferensial proses difusi untuk pengeringan diselesaikan secara numerik dengan metode finite difference. Hasil pengembangan model matematis ditulis dalam program Matlab versi 6.5. Validasi model dilakukan dengan fitting parameter model D eff dan k G menggunakan data eksperimen yang telah dilakukan oleh Dedi dkk (2009) dengan kondisi 7
percobaan suhu udara pengering 60, 70, dan 80 o C, kecepatan udara pengering0.2 ; 0.6 ; dan 1 m/s, dan tebal sampel 0.005 m. Difusivitas efektif (D eff ) dipengaruhi oleh suhu udara pengering, dimana semakin tinggi suhu udara pengering pada rentang suhu pengeringan antara 60 sampai 80 o C maka harga D eff semakin besar dengan rentang harga dari 7.33x10-8 sampai 7.73x10-8 m 2 /detik, pengaruh suhu terhadap D eff dapat dinyatakan dengan D eff T 0.91. Koefisien perpindahan massa (k G ) semakin meningkat dengan kenaikan suhu udara pengering dan kecepatan alir udara. Pada rentang suhu pengeringan antara 60 menjadi 80 o C menyebabkan kenaikan k G antara 2.20x10-9 sampai 2.24x10-9 kgmol/detik m 2 Pa, pengaruh suhu terhadap k G dapat dinyatakan dengan k G T 0.31. Sedangkan peningkatan kecepatan alir udara dari 0.2 sampai dengan 1 m/s menyebabkan kenaikan harga k G dari 1.98x10-9 menjadi 2.20x10-9 kgmol/detik m 2 Pa, pengaruh kecepatan alir udara terhadap k G dapat dinyatakan dengan k G v 0.07. Kata kunci : Permodelan, difusivitas efektif, koefisien perpindahan massa, faktor partisi, tray dryer, limbah padat tapioka. 8
MASS TRANSFER MODELLING FOR DRYING PROCESS THE TAPIOCA INDUSTRY SOLID WASTE IN TRAY DRYER Advisor Lecture : Dr. Ir. Susianto, DEA Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT Compilled by : Aulia Agus K. NRP. 2303 109 016 Nidia Rachma S. NRP. 2306 100 614 ABSTRACT The purpose of this research is to develop mathematical model of drying process of tapioca solid waste in tray dryer and estimate the parameter value of effective diffusivity (D eff ) and mass transfer coefficient water vapor at solid surface (k G ). The research has been carried out by developing mathematical model based on second Fick s law for diffusion at solid slab. This research considered the surface resistance by introducing partition factor for boundary condition at solid surface. The differential equation of diffusion process for drying was solved numerically using finite difference method. The developing result of mathematical model has been written on 6.5 version Matlab program. Model validation has done to fit model parameter D eff and k G using experiment data Dedi s (2009) with experimental condition drying air temperature 60, 70 and 80 o C, drying air velocity 0.2 ; 0.6 ; and 1 m/s, and sample thickness 0.005 m. Effective Diffusivity (D eff )is influenced by drying air temperature. The value of D eff increase from 7.33x10-8 to 9
7.73x10-8 m 2 /second with increasing drying temperature from 60 to 80 o C, influence of temperature to D eff can be expressed with D eff T 0.91. Mass transfer coefficient (k G ) ever mount with increase of dryer air temperature and air velocity. The value of k G increase from 2.20x10-9 to2.24x10-9 kgmol/second m 2 Pa with increasing drying temperature from 60 to 80 o C, influence of temperature to k G can be expressed with k G T 0.31. While make-up of air velocity from 0.2 up to 1 m / s the value of k G increase from1.98x10-9 to 2.20x10-9 kgmol / second m 2 Pa, influence of air velocity to k G can be expressed with k G v 0.07. Keyword : Model, effective diffusivity, mass transfer coefficient, partition factor, tray dryer, tapioca solid waste. 10
DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN LEMBAR PERSETUJUAN KATA PENGANTAR... ABSTRAK... ABSTRACT... DAFTAR ISI... DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR... BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang... I.2. Perumusan Masalah... I.3. Tujuan Penelitian... I.4. Manfaat Penelitian... BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1. Singkong dan Proses Pengolahan Tepung Tapioka... II.1.1. Singkong... II.1.2. Industri Tepung Tapioka... II.1.3. Limbah Padat Industri Tapioka... II.2. Teori Pengeringan... 3 5 7 9 12 13 15 18 18 19 20 20 21 21 22 11
II.2.1. Perpindahan Massa Aliran Gas di Atas Permukaan padatan... II.2.2. Difusi Moisture Pada Pengeringan... II.3. Model Matematis Proses Pengeringan... BAB III METODOLOGI PENELITIAN III.1. Langkah-Langkah Penelitian... III.2. Pengembangan Model Matematis... III.3. Penyelesaian Numerik... III.4. Pembuatan Program... III.5. Validasi Model... III.6. Flowchart Simulasi Pengeringan Limbah Padat Tapioka di dalam Tray Dryer... BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN IV.1. Pengaruh Parameter Koefisien Difusi Efektif Terhadap Hasil Pemodelan... IV.2. Pengaruh Parameter Koefisien Perpindahan Massa (k G ) Terhadap Hasil Pemodelan... IV.3. Validasi Model... IV.4. Pengaruh Suhu Udara Pengering Terhadap Karakteristik Pengeringan... IV.5. Pengaruh Kecepatan Alir Udara Terhadap KarakteristikPengeringan... 24 25 26 32 33 35 35 35 36 40 41 43 46 47 12
IV.6. Pengaruh Kondisi Operasi Pengeringan Terhadap Parameter PerpindahanMassa... BAB V KESIMPULAN DAN SARAN V.1. Kesimpulan... V.2. Saran... DAFTAR NOTASI... DAFTAR PUSTAKA... LAMPIRAN A PERHITUNGAN... LAMPIRAN B PENYELESAIAN NUMERIK... LAMPIRAN C HASIL VALIDASI... LAMPIRAN D LISTING PROGRAM... 48 52 53 54 56 59 64 68 79 13
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Komposisi rata-rata umbi singkong... Tabel 2.2 Analisa komposisi limbah padat tapioka (dry basis)... Tabel 2.3 Model semi teoritis lapisan tipis untuk kurva karakteristik pengeringan... Tabel 4.1 Hasil validasi model... 20 22 27 46 14
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Gambar 3.2. Gambar 4.1. Gambar 4.2. Gambar 4.3. Gambar 4.4. Gambar 4.5. Gambar 4.6 Kurva pengeringan untuk pengeringan konveksi... Diagram alir langkah-langkah Penelitian... Profil perubahan moisture content terhadap waktu pengeringan untuk berbagai Harga D eff pada k G = 5x10-9 m 2 /detik, v = 1m/detik, Mo= 2,651 kg H 2 O/kg Padatan Kering... Profil perubahan moisture content terhadap waktu pengeringan untuk berbagai harga k G pada D eff = 1x10-9 m 2 /detik, v=1m/detik, Mo= 2,651 kg H 2 O/kg Padatan Kering... Validasi data percobaan dengan model matematis pada T = 80 o C, v = 1 m/detik dan Mo = 2,651 kg H 2 O/kg padatan kering... Validasi data percobaan dengan model matematis pada T = 70 o C, v = 1 m/detik dan Mo = 2,651 kg H 2 O/kg padatan kering... Validasi data percobaan dengan model matematis pada T = 60 o C, v = 1 m/detik dan Mo = 2,651 kg H 2 O/kg padatan kering... Validasi data percobaan dengan model matematis pada T = 60 o C, 15 23 32 41 42 43 44 44
v = 1 m/detik dan Mo = 2,694 kg H 2 O/kg padatan kering... Gambar 4.7 Validasi data percobaan dengan model matematis pada T = 60 o C, v = 1 m/detik dan Mo = 2,766 kg H 2 O/kg padatan kering... Gambar 4.8 Profil perubahan moisture content terhadap waktu pengeringan untuk berbagai suhu udara pengering pada v = 1 m/detik dan Mo = 2,651 kg H 2 O/kg padatan kering... Gambar 4.9 Profil perubahan moisture content terhadap waktu pengeringan untuk berbagai kecepatan alir udara pengering pada T = 80 0 C... Gambar 4.10 Pengaruh suhu udara pengering terhadap harga D eff pada v = 1 m/detik... Gambar 4.11 Pengaruh suhu udara pengering terhadap harga k G pada v = 1 m/detik... Gambar 4.12 Pengaruh kecepatan alir udara pengering terhadap koefisien perpindahan massa pada t=60 0 C... 45 45 47 48 49 50 51 16