Lampiran F.docx

LAMPIRAN F PERANCANGAN ROTARY DRYER (RD – 101)

Nama Alat

: Rotary Dryer (RD – 101)

Fungsi

: Berfungsi untuk menghilangkan kadar air produk selulosa asetat

Tipe

: Rotary Dryer

Dasar pemilihan

:

a) Mampu menangani material cake, powder, granule, pellet, dan fiber. b) Efisiensi panas tinggi c) Proses pencampuran baik (sumber: Handbook of industrial drying, 2015)

Gambar F.1. Rotary Dryer A. Neraca Massa   

Selulosa diasetat H2O Selulosa

F11

RD-101 F12

F13

  

Selulosa diasetat H2O Selulosa

H2O

Gambar F.1. Neraca Massa di Rotary Dryer (RD-101) Keterangan : F11 = Laju alir masuk Selulosa diasetat, selulosa dan H2O (kg/jam) F12 = Laju alir keluar H2O (kg/jam) F13 = Laju alir keluar Selulosa diasetat, selulosa dan H2O (kg/jam) Neraca Massa Alat Rotary Dryer (RD-101) Massa Masuk – Massa Keluar + Generasi – Konsumsi = Akumulasi (Himmelblau. Ed 6th.. 1996. Pers. 3.1. hal 144). Untuk menentukan berapa massa udara yang diperlukan, maka perlu diketahui terlebih dahulu massa H2O yang ingin diambil. Pada aliran Feed ini

masih mengandung 72,75 Kg/Jam H2O. Oleh karena itu kandungan H2O diuapkan (bukan air terikat) sehingga memenuhi kualitas akhir produk yang diinginkan. Apabila udara masuk berada pada T = 115 oC, maka dengan menggunakan humidity chart, kelembaban udara adalah sebesar 0,02 Kg Uap Air/Kg udara kering. Apabila udara keluar berada pada T = 46,09 oC, maka dengan menggunakan trials perhitungan neraca massa dan panas diperoleh kelembaban udara adalah sebesar 0,06 Kg Uap Air/Kg udara kering. Dengan demikian, maka massa udara kering yang diperlukan adalah sebagai berikut. Karena rotary dryer mampu menghilangkan 99% kandungan air dalam umpan, maka massa H2O yang ingin diambil = 72,02 kg/Jam Neraca Massa Alat Rotary Dryer (RD-101) Massa Masuk – Massa Keluar + Generasi – Konsumsi = Akumulasi Massa Masuk

= F11

Massa Keluar

= F12 + F13

Massa Tergenerasi

=0

Massa Terkonsumsi

=0

Massa Terakumulasi

=0

Sehingga, F11 – (F12 + F13) + 0 – 0

=0

F11

= F12 + F13

a. Neraca Massa Masuk Aliran F11

-

Selulosa diasetat

: 3.787,88 kg/jam

-

Selulosa

: 2,81 Kg/jam

-

Air

: 72,75 Kg/Jam

b. Neraca Massa Keluar Aliran F13 -

Air

: 72,02 Kg/Jam

Aliran F12 -

Selulosa diasetat

: 3.787,88 Kg/Jam

-

Selulosa

: 2,81 Kg/jam

-

Air

: o,3 Kg/jam

Tabel F.1. Neraca Massa pada Rotary Dryer (RD-101) Massa Masuk (kg/jam)

Massa Keluar (kg/jam)

Komponen F11

F12

F13

3.787,88

-

Selulosa diasetat

3.787,88

H2O

72,75

0,73

72,02

Selulosa

2,81

2,81

-

3.791,41

72,02

Total

3.863,44 3.863,44

B. Neraca Panas Fungsi

: Mengurangi kandungan air pada produk selulosa asetat

Temperatur umpan (TS1)

: 30oC

Temperatur udara pengering masuk (TG1)

: 115oC

T dry bulb (tG)

: 30oC

a.

Menentukan % Relative Humidity Udara pada suhu 30 C dan tekanan 1 atm tekanan parsialnya adalah : P A = 2,97 Kpa. Dari steam table pada suhu 30oC tekanan uap air (Geankoplis,1993, hal 857). Tekanan uap air (PAS) = 4,246 Kpa P

HR = P A

AS

(Geankoplis, 1993, hal 526)

2,97 Kpa

HR = 4,246 Kpa HR = 70,014% Berdasarkan humidity chart (Fig. 9.3-2, Geankoplis, 1993, hal 529) diperoleh H = 0,02 Kg uap air/ Kg udara kering. Asumsi bahwa humidity tidak berubah saat udara dipanaskan sehingga : H2 = 0,02 Kg uap air/ Kg udara kering (Geankoplis, 1993, hal 563).

b. Penentuan Wet Bulb Wet bulb (Tw) dihitung dari persamaan berikut ini : WW – WG = 29.

ℎ𝐺 𝜆𝑊 .𝐾𝐺

( tG – tw )

(Banchero,1998, hal 383)……..(1)

Keterangan : WW

: humidity pada temperature wet bulb ( udara keluar)

WG

: humidity pada temperature dry bulb ( udara masuk)

hG

: koefisien perpindahan panas dari gas ke permukaan yang

terbasahi λw

: entalpi pada temperature wet bulb

tG

: temperature dry bulb

tW

: temperature wet bulb

KG

: koefisiensi perpindahan massa dari gas ke permukaan yang

terbasahi Maka persamaan (1) menjadi :

W W – W G = [K

hG

1

G . MG .P

] [ λ ] ( tG - tW ) w

(Banchero, 1998, hal 383)…….(2)

Dari table 8-1 Badger Banchero pengukuran wet bulb sistem udara-air,

Diperoleh 𝐾

ℎ𝐺

𝐺 .𝑀𝐺 .𝑃

= 0,26 sehingga persamaan (2) menjadi :

WW- W

……….(3)

0,26 G = λ (86-tW ) W

tw dapat dicari dengan cara trial, sebagai berikut Pada tw

= 26,3oC

; 79,34 F

tG

= 30oC

; 86 F

WW

= 0,0206 Ib uap air/ Ib udara kering (Fig 9.3-2 Geankoplis,1993)

𝜆𝑊

= 1.072,872 btu/Ibm (Steam Table App.A.2-9 Geankoplis, 1993,

hal 859) maka: WW- W

0,26 G = λ (𝑡𝐺 -tW ) W

0,0206 - 0,019 =

0,26 (86 - 79,34) 1072,872

0,0010 = 0,0016 Maka : Tw

= 26,3 °C

; 79,34 °F

c. Penentuaan suhu udara keluar dryer Berdasarkan Banchero, 1988, hal 508 ditetapkan range NTU = 1,5 - 2, jika diambil NTU = 1,5 maka suhu udara keluar dryer :

NTU

𝑡

−𝑡

= In ( 𝑡𝐺1 −𝑡 𝑤 ) 𝐺2

𝑤

𝑡

−𝑡

= In (𝑡𝐺 1 −𝑡 𝑤 )

1,5

𝐺2

𝑊

Dimana: tG1 = udara pengering masuk TG2 = udara pengering keluar 115−26,3

1,5 = In( 𝑡

𝐺 1 − 26,3

)

tG1 = 46,09 oC = 114,96 oF

d. Menentukan Laju Pengeringan Pada Rotary Penentuan laju pengering pada rotary Fraksi inlet air terhadap padatan kering, x1 : 0,02

x1 = 1-0,02 x1 = 0,02 Kg air /Kg padatan kering Kadar air pada produk akhir padatan Fraksi outlet air terhadap padatan kering, x2 : x2 =

0,0001918 1-0,0001918

x2 = 0,0001918 Kg air/Kg padatan kering

Menentukan laju pengeringan padatan tanpa air : LS =

F Padatan (1 – x2 )

(Treybal, 1981, hal 700)

LS =

3.790,69 Kg air/Kg padatan Kering

Maka laju pengeringan

= LS . (x1 – x2 )

Laju pengeringan

= 72,02 Kg air yang teruapkaan/ jam

Entalpi udara masuk (HG2) ke rotary dryer HG2

= Cs. (TG2- Treff) + H2 .λo

(Geankoplis, 1993, hal 562)

Cs

= 1,005 + 1,88 H2

(Geankoplis, 1993, hal 527)

Keterangan : Cs

= Humid heat

H2

= Humidity udara masuk = 0,02 kg uap air /kg udara kering

𝜆0

= Panas laten air pada T0 (00C) = 2501 kJ/kg

Maka, Cs

= 1,005 + (1,88 x 0.02) = 1,043 kJ/kg udara kering 0C

HG2

= CS . (TG2 – T0) + H2 . 𝜆0 = 1,043 (115-0) + (0,02. 2501) = 169,92 Kj/kg udara kering

Entalpi udara keluar (HG1) dari rotary dryer HG1

= Cs. (TG1- T0) + H1 .λo

(Geankoplis, 1993, hal 562)

Cs

= 1,005 + 1,88 H1

(Geankoplis, 1993, hal 527)

Keterangan : Cs

= Humid heat

H1

= Humidity udara masuk = 0,02 kg uap air /kg udara kering

λo

= Panas laten air pada T0 (00C) = 2501 kJ/

HG1

= 1,005 + 1,88 H1(TG1- T0) + H1 .λo = 98,65 + 86,65 H1

Entalpi Padatan masuk (HS1) ke rotary dryer Diambil suhu padatan keluar rotary dryer : 35oC CPS

= Kapasitas panas padatan yang masuk ke Rotary Dryer

CPA

= Kapasitas panas moisture

CPA

= 4,66 kJ/kg.°C

CPS

= 19,28 kJ/kg.°C

Sehingga : HS1 = CPS (TSI – T0 ) + XI . CPA (TS1 – T0)

(Geankoplis, 1993, hal 562)

HS1 = 581,21 kJ/kg padatan kering.

Entalpi padatan keluar (HS2) dari rotary dryer HS2 = CPS (TS2 – T0 ) + XI . CPA (TS2 – T0) CPA

= 3,92kJ/kg.°C

CPS

= 18,54 kJ/kg.°C

(Geankoplis, 1993, hal 562)

Sehingga : HS2 = 649,06 kJ/kg padatan kering.

Entalpi udara keluar (HG1) dari rotary dryer HG1 =

CS (TG1 – T0) + H2 . λ0

HG1 =

(1,005 + 1,88 . H1).(TG1 – T0) + H2 . 2.501,4

HG1 =

98,65

+

86,65

H1

Asumsi 10 % dari panas udara yang masuk ke rotary dryer terbuang, maka: Qloses =

0,1 . G . HG2

Qloses =

0,1 x 169,92 G

Qloses =

16,99 G

Moisture balance : G . H2 + LS . X1 = G . H1 + LS . X2 G x 0,02 + 0,02 G

74,15

+

73,42

=

G.H1 + 0,73

=

H1 G

…….(1)

Heat balance : G . HG2 + LS . HS1 = G . HG1 + LS . HS2 + Q losses (Geankoplis, 1993, hal 562) 54,27

G+

-214.900,30

=

86,65

H1 G

0,63

G+

-2.480,03

=

H1G

……(2)

Maka disubsitusikan menjadi persamaan berikut: 0,63

G+

-2.480,03

=

H1 G

0,02

G+

73,42

=

H1 G

0,61

G+

-2.553,45

=

0,000

G=

4.211,36

Kg udara/Jam

Jadi, humidity udara keluar dari rotary dryer: 0,02 G + 73,42

= H1G

H1

= 0,04 Kg air/ Kg udara

Berdasarkan persamaan : Qloses =

16,99

G

Qloses =

71.559,01

kj/Jam

H udara keluar dryer (HG1): HG1 =

98,65

+

86,65

H1

HG1 =

101,9

kj/kg udara kering x G Kg udara kering / Jam

HG1 =

429.130,77

kj/Jam

H udara masuk dryer (HG2): HG2 = HG2 =

169,92 715.590,09

kj/kg udara kering x G Kg udara kering / Jam kj/Jam

H padatan masuk dryer (HS1): HS1 =

581,21

kj/kg udara kering x Ls Kg udara kering/jam

HS1 =

2.245.474,78

kj/Jam

H padatan keluar dryer (HS2): HS2 =

649,06

Kj/ Kg udara kering x Ls Kg udara kering/jam

HS2 =

2.460.375,08

Kj/Jam

Tabel F.2 Neraca Panas di Rotary Dryer (RD-301) Aliran

Panas Masuk (Kj/Jam)

H solid, HS1

2.245.474,78

H udara, HG2

715.590,0853

Panas Keluar (Kj/Jam)

H solid, HS2

2.460.375,08

H udara, HG1

429.130,7746

Q losses

71.559,0085 2.961.064,8666

Total

2.961.064,8666

C. Spek Rotary Dryer (RD-101)

Gambar F.3. Rotary Dryer Data: Ts1

= Temperatur umpan

= 30 oC

Ts2

= Temperatur produk

= 35 oC

TG1 = Temperatur udara masuk

= 115 oC

TG2 = Temperatur udara keluar

= 30 oC

Tw = Temperatur bola basah di dalam dryer

= 26,30 oC

Laju alir massa masuk

= 3.863,44 kg/jam = 8.518,87 lb/jam

Untuk menentukan jumlah Udara panas yang masuk ke dalam rotary dryer dan humidty, berikut langkahnya :

Nilai NTU untuk Rotary Drier = 1,5 – 2,5 54) Ditentukan nilai NTU = 1,5 Untuk sistem air dan Udara, Twa = Twb

(Mc.Cabe, 1985. 4th Ed, Hal 713. Pers 25-8) Keterangan : T wa : Temperatur Bola Basah Inlet T wb : Temperatur Bola Basah Outlet

Sehigga Nt =

115−26,3

𝑁𝑡 = 𝑙𝑛 (𝑇ℎ𝑏−26,3) 115−26,3

1,5 = 𝑙𝑛 (𝑇ℎ𝑏−26,3) Thb = 46,0916 oC

(Perry’s, 7ed. 1999. Hal 12-

Dari Appendix 8. Mc Cabe, 1995. Dapat ditentukan nilai Enthalphy (Heat of Vaporization) berdasarkan Twa ( λ ) adalah : 1.059,6 btu/lb Menentukan luas penampang dan diameter rotary dryer Jumlah udara masuk ( Gs )

= 4.211,36 kg/jam = 9.284,449 lb/jam

(Range kecepatan superficial 369 – 3687

lb , Perry’s 7ed, hal 12-55) 2 jam. ft

Gg (kecepatan superficial udara) = 3.500 lb/jam.ft2 Luas Penampang Dryer = M G / Gg M G = Massa Udara Masuk (9.284,449 lb/jam) Luas Penampang Dryer = 2,57901 ft2 Diketahui bahwa hubungan antara luas penampang rotary dryer dengan diameter rotary dryer adalah sebagai berikut:

A

  D2 4

Maka, D 

4 A

 = 2,7188 ft = 0,8287 m

r

= 0,41435 m

Menentukan Panjang Rotary dryer

LMTD (ΔT)m =

(TG1  Tw )  (TG 2  Tw ) ( Mc.Cabe Pers. 25.7, Pg. 255) (TG1  Tw ) ln (TG 2  Tw )

= 75,5074 oC

NTU

=

TG1  TG 2 , (T ) m

(Perry’s 7ed, pers 12-54, hal 12-54)

Syarat NTU untuk rotary dryer = 1,5 – 2,5 NTU

= 1,5

L

= NTU x

G 'G s , Ua

(Perry’s 7ed, hal 12-54)

(Pers 10-18, Banchero, hal 506)

Keterangan: L = Panjang rotary dryer, ft G’G = Kecepatan superficial udara,

s

= Panas kelembaban,

lb jam. ft 2

BTU F . lb

o

Ua = Koefisien perpindahan panas volumetrik, Sehingga, lb BTU x 0,259 o 2 jam . ft F .lb BTU 55,3218 3 ft . jam.o F

3.500

L

= 1,5 x

= 25,28 ft

BTU ft . jam.o F 3

= 7,706 m

Menentukan Putaran Rotary Dryer ( N ) Untuk putaran rotary dryer N = 25/D – 35/D

( Wallas, hal 247 )

Diambil nilai untuk putaran sebesar N = 35/D N

= 35/0,8287 = 42,23 rpm

Menentukan waktu tinggal (θ) θ

L    B LG   0,23    0,6   0,9 F SN D   (Perry’s 7ed, pers 12-55, hal 12-55)

Keterangan: θ

= Waktu tinggal, menit

L

= Panjang rotary dryer

S

= Slope/kemiringan rotary dryer, ft/ft dipilih nilai S = 0,06 (S

= 0 – 0,08 cm/m, Perry’s 7ed, hal 12-56)

tan θ

= 0,06

θ

= 3,8o

N

= Putaran rotary dryer

D

= Diameter rotary dryer

B

= Konstanta = 5 x Dp-0,5

Dp

= Diameter rata-rata partikel, µm (mikronmeter)

Asumsi Dp = 0,2 mm = 200 μm, sehingga diperoleh nilai B = 0,35355 G

= Kecepatan superficial gas, 3.500

lb jam. ft 2

M

= Massa umpan masuk rotary dryer

A

= Luas penampang rotary dryer

F

=

M lb  3.303,152 A jam. ft 2

Sehingga diperoleh nilai θ = 7,1 menit Menentukan jumlah flight dan tinggi flight Jenis flight

= radial flight

Jumlah flight

= 2,5 x D

(Perry’s 7ed, hal 12-54)

= 2,5 x 2,7188 ft = 6 flight ≈ 6 flight (dalam 1 bagian keliling lingkaran) Berdasarkan Perry’s ed.7th, hal.12-56, tinggi flight berkisar antara (D/12) – (D/8), dengan D dalam satuan meter. Pada perhitungan ini diambil D/8, sehingga tinggi flight

=

2,7188 8

= 0,3398 ft

= 0,1036 m Jarak antar flight

= 3,14 D / jumlah flight = 3,14 x 2,7188 ft / 6 = 1,42285ft

Menentukan koefisien perpindahan panas volumetric

0,5  GG Ua  D

0 , 67

( Mc.Cabe, Pers. 25-28, Pg. 274)

Keterangan: Ua

= Koefisien perpindahan panas volumetric, Btu/ ft3.hr.oF

GG

= Kecepatansuperficial udara, lb/hr.ft2

D

= Diamater rotary dryer, ft

Maka, Ua



0,5  3.500 0,67 2,7188

= 55,3218 btu/ft3.hr.oF Menentukan Daya Rotary Dryer Berdasarkan Perry’s 7ed hal 12-56, jumlah total daya untuk fan, penggerak dryer dan conveyor umpan maupun produk berkisar antara 0,5 D2 – 1,0 D2 (kW). Pada perhitungan ini diambil total daya : Sebesar 0,5 D2 sehingga P = 0,5 x (2,7188)2 ft P = 3,696 kW = 4,9564 Hp Sehigga daya yang digunakan sebesar 5 Hp

Menentukan tebal rotary dryer Diketahui bahwa tekanan operasi di dalam rotary dryer adalah 1 atm. Diambil faktor keamanan 20 %, sehingga tekanan desain rotary dryer

= 1,1 x 1 atm

= 1,1 atm = 16,165 psi Untuk menghitung tebal rotary dryer digunakan persamaan :

t

Pr  C (Brownell & Young, 1959, pers. 13.1, hal. 254) f  E  0,6 P

Keterangan: f

: Nilai tegangan material, psi digunakan material Carbon Steel SA283 Grade C (Brownell danYoung, Tabel 13.1, hal 251) : 12.650 psia

E

: Welded Joint Efficiency Dipilih Double welded butt joint maximum efficiency

berdasarkan Tabel 13.2 Brownell and Young = 80 % P

: Tekanan desain, psi

r

: Jari-jari rotary dryer

C

: Korosi yang dipakai adalah faktor korosi terhadap udara luar,

yaitu = 0,125 inci/10 tahun

(Peters dan Timmerhaus, hal 542).

sehingga: ts = 0,042 in (diambil ts standar = 1/4 in) Dari Brownell danYoung, Tabel 5.7, dipilih tebal rotary dryer yang mendekati nilai dari hasil perhitungan, yaitu 3/16 in. Maka tebal shell yang digunakan: OD

= ID + 2.ts = 1,2037 ft

Tebal flight = tebal rotary dryer, sehingga tebal flight = 3/16 in

Kecepatan linier udara Terminal settling velocity (Vt) padatan harus lebih besar dari kecepatan linier udara. o Kecepatan linier udara masuk Laju alir massa = 4.211,36kg/jam = 1.169,82 g/det Pada T = 30 oC,  = 1,1710 g/L Kecepatan volumetris udara masuk = 998,9942 L/det

= 0,9989 m3/det Kecepatan linier udara



0,99889



 D2

4

= 1,853092 m/det o Kecepatan linier udara keluar Laju alir massa = 4.211,36 kg/jam = 1.169,82 g/det Pada T = 120 oC,  = 1,2066 g/L Kecepatan volumetris udara keluar = 969,5414 L/det = 0,969541 m3/det Kecepatan linier udara



0,969541

 4

 D2

= 1,7984 m/det o Terminal settling velocity (Vt) padatan Diketahui : Diameter padatan = 2 mm = 0,002 m Densitas padatan = 1.302,257 kg/m3 Viskositas udara pada 115 oC

= 0.00038 Pa.det = 0.00038 kg/m.det

g.D p .(  p   f ) 2

Vt 

18.

= 7,4613 m/det (Geankoplis, 1993 :

817) Vt > V sehingga padatan tidak terbawa aliran udara.