1

BAB III

METODE PERANCANGAN

Target yang ingin di capai dalam perancangan alat pirolisis adalah alat ini

dapat mengkonversikan limbah plastik tipe polypropylene (PP) & polyethylene (PE)

dan menentukan dimensi yang efektif dalam keseluruhan alat pirolisis ini terdiri

dari 3 bagian, yakni tungku biomassa, reaktor, dan kondensor.

Tahapan-tahapan dalam perancangan alat pirolisis :

3.1 PERANCANGAN TUNGKU BIOMASSA

Prosedur perancangan tungku dapat dilihat pada Gambar 3.1 analisis

kebutuhan bakar ini dibagi dalam dua tahap, yaitu steady state dan un-steady state.

Tahap steady state adalah perhitungan kebutuhan bahan bakar untuk melakukan

pirolisis plastik. Tahap un-steady state adalah perhitungan kebutuhan bakar untuk

memanaskan reaktor sebelum panas dapat mencapai bahan plastik.

Tungku yang dirancang menggunakan batu bata, pasir, semen, dan kawat

sebagai pemisah antara ruang bakar dan penampung abu. Bagian-bagian dari

tungku beserta fungsinya dapat dilihat pada Tabel 5.

Tabel 1 Bagian-bagian tungku dan fungsinya NAMA BAGIAN FUNGSI

Ruang pembakaran Tempat terjadinya pembakaran biomassa

Ruang penampung abu Tempat menampung abu sisa pembakaran

Lubang pemasukan Lubang untuk memasukan bahan bakar kayu dan udara

dengan blower

Cerobong Tempat pengeluaran gas buang dari pembakaran

Dudukan reaktor Tempat penyangga reaktor

Untuk mengetahui jari-jari tungku biomassa dapat ditentukan dengan

menggunakan Persamaan (1) (Clesmens, 1984)

2

𝑟 = (

𝑚𝑝𝑃𝑝

𝜋. 𝑟𝑠𝑟ℎ

)1/3

Untuk mengetahui tinggi tungku biomassa dapat ditentukan dengan

Persamaan (2) (Clesmens, 1984)

ℎ = (𝑟

𝑟𝑠𝑟ℎ

)

Dimana :

r = jari-jari (m)

𝑝𝑝 = kapasitas plastik (kg/m3)

h = tinggi tungku biomassa (m)

𝑚𝑝 = massa pascal (kg.m3)

rs = tebal (m)

Energi yang dibutuhkan untuk melakukan pemutusan rantai molekul plastik

adalah 12145,4 cal/mol (Ramadhan, 2015). Sehingga energi (E) yang dibutuhkan

untuk memutuskan rantai molekul 100 kg plastik adalah 181486,04 kJ. Bahan bakar

yang di gunakan adalah limbah kayu ulin memiliki nilai kalor adalah 4576 kal/gr.

Untuk mengetahui massa 𝑠𝑡𝑒𝑎𝑑𝑦 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑒 yang dibutuhkan untuk melakukan pirolisis

dapat dihitung dengan mengunakan Persamaan (3) (Demiral, 2012)

Tahap un- 𝑠𝑡𝑒𝑎𝑑𝑦 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑒 untuk melakukan analisis diperlukan data massa

reaktor kosong. Massa reaktor kosong dapat dihitung dengan menggunakan

Persamaan (4) - (7) (Clemens, 1984).

V1 = 𝜋∗ (((r . x)2) * (h – x)

Vo = 𝜋∗ (r2) * t

Vt = Vo - V1

Mr = p * vt

3

Gambar 3. 1 Diagram alir perancangan tungku biomassa

Dimana :

V1 = volume dalam reaktor ( m3)

Vo = volume luar reaktor ( m3)

Vt = volume total bahan reaktor ( m3)

mr = massa reaktor ( kg )

𝜌 = massa jenis ( kg/ m3) mu = massa udara (kg)

mss = massa steady state (kg)

uss = massa up- steady state (kg)

lu = laju udara (kg/jam)

Massa reaktor yang dibutuhkan didapatkan kalor yang dibutuhkan (Q) untuk

memanaskan reaktor dapat diperhitungkan dengan menggunakan Persamaan (8)

(Holman, 2010).

A

Kapasitas Reaktor

Penentuan massa bahan bakar Up-steady state

Nilai kalor kayu

Energi aktivasi

pirolisis plastik

Penentuan total massa bahan bakar

Penentuan masa bahan bakar Steady - State

𝑚𝑠𝑠 =𝐸

𝑛𝑘

B

𝑢𝑠𝑠 =𝑄

𝑛. 𝑘

𝑚𝑡 = (𝑚𝑠𝑠 + 𝑢𝑠𝑠 )/25%

mt = (𝑚𝑠𝑠 + 𝑢𝑠𝑠 )/25%

4

Q = 𝑚𝑟 . 𝑐𝑝 . ∆𝑇

Dimana :

cp = kalor jenis (kJ/kg.K)

∆𝑇 = perbedaan suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam penukar-kalor

Sehingga massa bahan bakar tahap up-steady state dapat dihitung dengan

menggunakan Persamaan (9) (Demirel, 2012).

𝑢𝑠𝑠 =𝑄

𝑛.𝑘

Massa bahan bakar total (mt) dapat dihitung dengan Persamaan (10). Daya

tungku dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (11) (Holman, 2010).n

mt = (𝑚𝑠𝑠 + 𝑢𝑠𝑠 )/25%

dt = 𝑚𝑟 .𝑛𝑘

𝑡

5

3.2 REAKTOR

Gambar 3. 2 Diagram alir perancangan reaktor

B

Bahan reaktor

Penentuan badan reaktor

𝑣 =𝜋

4 . 𝑑2. 𝑡

Penentuan tutup reaktor

𝑟

𝑠= 𝑐𝑜𝑠 35°

Perhitungan daya tahan dinding reaktor

𝑡𝑏 =𝑃. 𝐷

2𝜎𝑡 ቀ1 +𝐷𝐿 ቁ

Proses rambat panas

𝑞 = −𝑘. 𝐴 ቀ 𝑟

𝑠ቁ

Volume uap pirolisis

𝑣𝑚 = 100 𝑥 60 %

Panas spesifik fluida

Q = 𝑚𝑡. 𝐶𝑝. ∆𝑡

Tekanan uap akibat temperatur

𝑃 = 𝜌. 𝑅. 𝑇

C

Penggolahan data

6

3.2.1 Bahan Reaktor

Reaktor yang di rancang terbuat dari bahan stainless steel 304, hal ini

dikarenakan stainless steel memiliki titik leleh yang tinggi dan tahan karat. Bagian-

bagian dari reaktor berserta fungsinya dapat dilihat pada Tabel 6.

Tabel 2 Bagian-bagian reaktor dan fungsinya

BAGIAN FUNGSI

Badan reaktor Tempat berlangsungnya proses pirolisis

Tutup reaktor Menutup reaktor

Insulasi Mencegah kehilangan panas ke lingkungan

Lubang pengeluaran Mengalirkan gas ke kondensor

Lubang kontrol Menjaga tekanan dalam reaktor tidak terlalu tinggi dan

mengecek sisa bahan plastik dalam reaktor

3.2.2 Badan reaktor

Prosedur penentuan dimensi tabung reaktor dapat dilihat pada Gambar 3.2

Penentuan dimensi reaktor berdasarkan densitas dari bahan plastik yang telah

dipotong dengan ukuran 3 x 4 direncanakan diameter reaktor 50 cm dan tinggi (t)

reaktor di tentukan dengan persamaan :

𝑣 =𝜋

4 . 𝑑2. 𝑡

Dimana :

𝑣 = Volume reaktor (m3) d = Diameter reaktor (cm)

t = Tinggi reaktor (cm)

Untuk menentukan luas tabung reaktor dengan persamaan :

Menentukan luas selimut tabung reaktor : 2𝜋𝑟𝑡

Menentukan luas alas tabung reaktor : 𝜋𝑟2

Menentuksn luas tabung reaktor : 𝐿𝑠 + 𝐿𝑎

Dimana :

𝑟 = jari-jari (cm)

𝐿𝑎 = luas alas (cm)

𝐿𝑠 = luas selimut (cm)

7

3.2.3 Tutup Reaktor

Tutup reaktor berfungsi untuk menjaga tekanan di dalam ruang pemanasan

agar titik uap dari plastik dapat naik. Untuk menentukan dimensi pada tutup tabung

berbentuk kerucut perlu diameter 50 cm dengan kemiringan 35o, maka untuk

perhitungan dimensi sisi miring tutup tabung berdasarkan trigonometri dengan

persamaan :

𝑟

𝑠= 𝑐𝑜𝑠 35°

𝑠 =𝑟

𝑐𝑜𝑠 35°

Untuk selanjutnya menentukan luas selimut tutup tabung berbentuk kerucut

dengan persamaan :

𝐿𝑠 = 𝜋 𝑟 𝑠

3.2.4 Proses Rambat Panas Reaktor

Dalam perancangan ini menggunakan bahan stainless steel 304 dengan

ketebalan 2 mm. Panas api akan merambat dari tungku biomassa melalui media

tabung stainless steel untuk memanaskan limbah plastik. Proses penggantar panas di

sebut perpindahan panas secara konduksi.

Untuk mengetahui perpindahan panas konduksi dapa di hitung dengan

persamaan :

𝑞 = −𝑘. 𝐴 (𝑑𝑇

𝑑𝑥)

Dimana :

q = laju perpindahan panas konduksi (kJ/s)

k = konduksifitas termal stainless steel 304 = 0,01464 (kJ/s moC)

A = Luas permukaan (m2)

dT = Gradien suhu arah perpindahan panas (oC)

dx = ketebalan (m)

8

3.2.5 Volume Uap Pirolisis

Peristiwa berubahnya zat padat dari sampah plastik menjadi zat gas,

penguapan pada zat padat menjadi uap terjadi karena terdapat kalor yang diterima.

Untuk menetukan laju penguapan benda padat menjadi uap setiap detiknya waktu

yang di gunakan adalah 2 jam untuk menghasilkan bahan bakar dari proses pirolisis.

Menentukan laju aliran panas pirolisis dengan persamaan :

𝑚𝑢𝑎𝑝𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =𝑚𝑝𝑖𝑟𝑜𝑙𝑖𝑠𝑖𝑠 + 𝑚𝑢𝑎𝑝

2 𝑗𝑎𝑚

Menentukan jumlah panas pirolisis dengan persamaan (J.P

Holman,1994).

𝑄 = 𝑚𝑢𝑎𝑝𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙. 𝐶𝑝. ∆𝑇

Dimana :

𝑚𝑢𝑎𝑝𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = massa uap total (kg/s)

𝐶𝑃 = Kalor spesifik pada tekanan konstant (kJ/kg.oC)

∆𝑇 = Perbedaan temperatur (oC)

3.2.6 Tekanan Uap Akibat Temperatur

Tekanan uap akibat temperatur yang digunakan unutk memanaskan bahan

polimer tanpa oksigen. Perekahan dilakukan dengan temperatur 190oC = 190 + 273

= 463 oK. Dapat di hitung dengan persamaan (Riyanto Ssi, Termodinamika teknik):

𝑃𝑣 = 𝑚 𝑥 𝑅 𝑥 𝑇

𝑃 = 𝜌. 𝑅. 𝑇

Dimana :

𝜌 = Berat jenis solar (kg/m3)

T = Temperatur (oK)

P = Tekanan (kg/cm2)

R = Harga konstanta = 29,27 kg m/kgo

9

3.3 PIPA SALURAN UAP

Untuk merancangan pipa saluran uap perlu spesifikasi dari bahan pipa

tembaga yang akan digunakan, data spesifikasi bahan pipa sebagai berikut :

Jenis pipa : pipa tembaga type K

Ukuran pipa tembaga : 3/8

Tegangan tarik : 2249,8 kg/cm2

Laju aliran yang terjadi pada pipa saluran adala untuk menentukan proporsi

dan jumlah bahan yang mengalir masuk dan keluar proses. Dengan kata lain,

pengukuran laju aliran menunjukan beberapa banyak fluida yang digunakan atau

didistribusikan ke dalam proses (https://www.scribd.com/doc/79280175/Makalah-

Pengukuran-Laju-Alir-2A).

Untuk mengetahui laju aliran uap dalam pipa kondensor perlu bahan pipa

tembaga type K ukuran 3/8 inci, maka dapat di hitung dengan persamaan :

3.3.1 Aliran Uap Di Dalam Pipa

Di dalam pipa kondensor mengalir fluida kerja berupa uap, yang

mempunyai sifat-sifat, dengan persamaan :

𝑇𝑤 =𝑇𝑢𝑚 + 𝑇𝑢𝑘

2

Dimana :

Tw = temperatur rata-rata (oC)

𝑇𝑢𝑚 = temperatur uap masuk (oC)

𝑇𝑢𝑘 = temperatur uap keluar (oC)

3.3.2 Aliran Dalam Pipa Trianguler

Luas aliran dalam pipa (Aa) adalah luas dari pada kondensor trianguler

dengan persamaan :

10

𝐴𝑎 =𝜋

4. 𝑑𝑖

2

3.3.3 Kecepatan Aliran Uap

Untuk mengetahui kecepatan uap yang mengalir dalam pipa dengan

persamaan :

𝜇 =muap

𝜌 x A

Dimana :

𝜇 = Kecepatan (kg/s)

𝜌 = Densitas (kg/m3)

muap = Massa uap (m/s)

A = luas penampang

3.3.4 Koreksi Daya Tahan Pipa

Untuk memeriksa saluran uap agar tidak belah maka dengan persamaan :

𝑡𝑏 =𝑃.𝐷

2𝜎𝑡 ቀ1+𝐷

𝐿ቁ

3.3.5 Harga Harga Reynold Number (Re)

Menentukan harga Reynold Number (Re) dengan persamaan :

𝑅𝑒 =𝜌 𝑥 𝜇 𝑥 𝐷𝑖

𝜇

Dimana :

𝑅𝑒 = bilangan reynold

𝜌 = Densitas (kg/m3)

𝜇 = Viskositas dinamik (kg/s)

u = Kecepatan (kg/s)

𝐷𝑖 = Diameter dalam pipa (m)

3.3.6 Harga Angka Nusselt (NU)

Dari harga bilangan reynold (Re) diketahui bahwa aliran uap pipa adalah

aliran laminer/turbulen, maka angka nusselt dapat di hitung dengan persamaan :

11

B

Pengumpulan data

Pengolahan data

Perancangan APK

Keluaran

Selesai

Nu = (1,86). [(𝑅𝑒).(𝑃𝑟𝑢𝑎𝑝).(𝐷𝑖)

3]

1/3

Dimana :

Nu = Angka nusselt

Re = Bilangan reynold

Pr = Angka prandtl

𝐷𝑖 = Diameter

3.4 ALAT PENUKAR KALOR TIPE BEM

Dalam mendesain sebuah alat penukar kalor tipe BEM dengan aliran 1-1

pas, maksud dari alat tersebut. Ciri utama dari sebuah alat ini ialah berupa shell dan

tube. Alkran fluida 1-1 pas mempunyai arti bahwa yang mengalir sebanyak 1 kali

dalam shell dan 1 kali di tube. Untuk tipe BEM ialah huruf yang mempunyai arti

bagian pada alat penukar kalor, huruf B artinya bagian pada stationary head,

huruf E artinya nama bagian pada shell, sedangkan huruf M artinya nama bagian

pada read head. Untuk mengetahui besarnya koefisien perpindahan panas, luas

perpindahan panas. Dapat dilihat pada gambar 3.3 diagram alir perancangan .

Gambar 3. 3 Diagram alir perancangan APK

12

APK yang dirancang adalah kondensor tipe shell and tube. Shell yang

digunakan bahan pipa stainless stell sedangkan bagian tube menggunakan pipa

tembaga. Bagian-bagian kondendor beserta fungsinya dapat dilihat pada Tabel 7.

Tabel 3 Bagian-bagian kondensor dan fungsinya

NAMA BAGIAN FUNGSI

Head Tempat gas masuk

Tube Tempat pertukaran panas

Shell Tempat penampung fluida pendingin

3.4.1 Laju Aliran

Untuk mengetahui laju aliran uap yang mengalir lewat pipa kondensor perlu

diketahui jumlah bahan yang mengalir masuk dan keluar proses. Dengan demikian

kata lain pengukuran laju aliran menjunjukan berapa banyak fluida yang digunakan

atau didistribusikan ke dalam proses.

Untuk mengetahui laju aliran uap dalam pipa kondensor perlu bahan pipa

tembaga type K ukuran 3/8 inci, maka dapat dihitung dengan persamaan:

Di dalam pipa kondensor mengalir fluida kerja berupa uap, yang

mempunyai sifat-sifat dengan persamaan (J.P Holman):

𝑇𝑤 =𝑇𝑢𝑚 + 𝑇𝑢𝑘

2

Dimana :

𝑇𝑤 : Temperatur rata-rata (oC)

𝑇𝑢𝑚 : Temperatur uap masuk (oC)

𝑇𝑢𝑘 : Temperatur uap keluar (oC)

Luas aliran dalam pipa (𝐴𝑎) adalah luas dari kondensor pada kondensor

trianguler picth dengan persamaan :

𝐴𝑎 =𝜋

4. 𝑑𝑖

2

13

Untuk mengetahui kecepatan uap yang mengalir dalam pipa dengan

persamaan (J.P Holman, 1994) :

𝜇 =muap

𝜌 x A

Dimana :

𝜇 : Kecepatan (kg/s)

𝜌 : Densitas (kg/m3)

muap : massa uap (m/s)

A : Luas penampang (m2)

Menentukan harga Reynolds Number (Re) dari system yang dapat diketahui

dengan menggunakan persamaan (24) (Holman, 2010).

𝑅𝑒 =𝑝 . 𝑉𝑔𝑎𝑠 . 𝑑

𝜇

Dimana :

𝑅𝑒 = Bilangan Reynold

𝜌 = Densitas (kg/m3)

𝑣𝑔𝑎𝑠 = kecepatan gas

𝑑 = diameter (m)

𝜇 = Viskositas fluida (kg/m.s)

Karena alirannya adalah aliran laminar/turbulen maka, bilangan Nusselt

(Nu) dapat dicari dengan Persamaan (25) (Holman, 2010)

Nu = (1,86). [(𝑅𝑒).(𝑃𝑟𝑢𝑎𝑝).(𝐷𝑖)

3]

1/3

Dimana :

Nu = Bilangan Nusselt

𝑃𝑟 = Angka Prandtl D = Diameter (m)

L = Panjang (m)

𝑅𝑒 = Bilangan Reynold

ℎ𝑎𝑖𝑟 = Konduktifitas air (W/mK)

3.4.2 Konveksi Dalam Pipa

Proses perpindahan panas secara konveksi dalam perancangan ini karena

proses pirolisis yang terkenan panas maka molekul-molekulnya akan bertambah

14

besar dan beratnya tetap, sehingga akan bergerak ke atas, gerakan ke atas ini akan

diikuti oleh gerakan uap plastik laiannya secara terus menerus sehingga terjadi

aliran uap karena panas. Dari persamaan-persamaan diatas, maka harga konveksi di

dalam pipa dapat dihitung dengan persamaan (J.P Holman, 1994):

ℎ =𝑘. 𝑁𝑢

𝐷

Dimana :

D : Diameter dalam pipa (m)

k : Konduktifitas thermal (W/m2 oK)

Nu : Bilangan nusselts

3.4.3 Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan

Koefisien perpindahan panas keselurahan pada kondensor dapat diketahui

dengan menggunakan Persamaan (26) (Holman, 1994).

𝑈 =1

1

ℎ𝑖+

𝐷𝑖,𝐼𝑛(

𝐷𝑜𝐷𝑖

)

𝐾+

𝐷𝑖ℎ𝑜

Dimana :

U = Koefisiensi perpindahan panas konveksi meyeluruhan (W/m2K)

ℎ𝑖𝑛 = Koefisiensi perpindahan panas konveksi bagian dalam (W/m2K)

ℎ𝑜𝑢𝑡 = Koefisiensi perpindahan panas konveksi bagian luar (W/m2K)

3.4.4 Kondisi Aliran Searah Pada Kondensor

Perpindahan panas kondensor diharapkan keluar dalam bentuk liqud solar

kadar atom C12 – C17 dengan temperature 21oC dari temperatur 450oC. Beda

temperatur rata-rata untuk permukaan kalor aliran counter flow dapat dihitung

dengan persamaan :

∆𝑇𝑚 =(𝑇𝑢𝑘 − 𝑇𝑎𝑘) − (𝑇𝑢𝑚 − 𝑇𝑎𝑚)

𝐼𝑛[(𝑇𝑢𝑚 − 𝑇𝑎𝑘)/(𝑇𝑢𝑘 − 𝑇𝑎𝑚)]

Dimana :

𝑇𝑢𝑚 : Temperatur uap masuk

𝑇𝑢𝑘 : Temperatur uap keluar

𝑇𝑎𝑘 : Temperatur air keluar

15

𝑇𝑎𝑚 : Temperatur air masuk

3.4.5 Menentukan Panjang Pipa Kondensor

Pipa kondensor berfungsi sebagai penghubung antara pipa saluran uap

dengan alat penampung dan memisahlan cairan distilasi. Pipa kondensor tersebut

dari bahan tembaga tipe K karena jenis bahan ini merupakan bahan jenis logam

yang mudah menghantarkan panas.

Untuk menentukan luas permukaan perpindahan panas (A) dengan

persamaan :

𝐴 =𝑄

𝑈. ∆𝑇𝑚

Dimana :

Q : Laju perpindahan panas kalor persatuan waktu (kj/s)

U : Koefisen perpindahan panas keseluruhan (W/m2 oC)

∆𝑇𝑚 : Temperatur rata-rata (oC)

Untuk menentukan panjang pipa kondensor dengan persamaan :

𝐿 =𝐴

𝑛. 𝜋. 𝑑𝑜

Dimana :

𝐿 = Panjang ( m) A = Luar permukaan (m2)

𝑑𝑜 = Diameter luar

Menurut pertimbangan pipa diatas karena pipa jenis tembaga sangat baik

sebagai pipa kondensor karena mudah menghantarkan panas tujuan banyak pipa

dalam saluran kondensor adalah untuk memperluas permukaan sehingga uap

terbagai dengan jumlah pipa sehingga uap di dalam kondensor untuk proses

pendinginan dan keluar dengan temperatur yang di rencanakan atau maximal.