Optimasi Alat Pengolahan Limbah Polimer Pertanian Untuk Menghasilkan Bahan Bakar
4
TINJAUAN PUSTAKA
Karakteristik Polimer
Seiring perubahan zaman, produksi plastik memiliki sejarah industri sejak
polimer sintetis pertama kali diperkenalkan ke bidang industri di tahun 1940-an
(Al Salem et al., 2009). Beberapa keuntungan menggunakan plastik termasuk
resistensi yang tinggi terhadap korosi, fleksibilitas yang tinggi untuk proses dan
biaya produksi yang rendah. Selain itu, mereka menjalar digunakan dalam sistem
pengiriman medis, organ buatan dan obat-obatan lainnya (Subramanian, 2000).
Polimer adalah suatu bahan yang terdiri dari unit molekul yang disebut
monomer. Jika monomernya sejenis disebut homopolimer, dan jika monomernya
berbeda akan menghasilkan kopolimer. Polimer alam yang telah kita kenal antara
lain adalah selulosa, protein, karet alam dan sejenisnya. Pada mulanya manusia
menggunakan polimer alam hanya untuk membuat perkakas dan senjata, tetapi
keadaan ini hanya bertahan hingga akhir abad 19 dan selanjutnya manusia mulai
memodifikasi polimer menjadi plastik. Plastik yang pertama kali dibuat secara
komersial adalah nitroselulosa. Material plastik telah berkembang pesat dan
sekarang mempunyai peranan yang sangat penting dibidang elektronika,
pertanian, tekstil, transportasi, furniture, konstruksi, kemasan kosmetik, mainan
anak – anak dan produk – produk industri lainnya (Mujiarto, 2005).
Jenis-Jenis Polimer dan Penggunaanya
Molekul polimer disusun dalam satu struktur rantai seperti polietilen dan
polipropilen, dalam struktur tiga dimensi dengan ikatan kovalen seperti phenol
dan resin epoksi, dalam struktur hubungan silang seperti karet dimana sebagian
molekul rantai terikat satu sama lain. Sifat-sifat termik dan mekanik dari polimer
4
Universitas Sumatera Utara
sangat berbeda tergantung pada keadaan. Kebanyakan molekul rantai memberikan
sifat termoplastik dengan menaikkan temperatur, dapat mencair dan mengalir.
Bahan tersebut dinamakan polimer termoplastik. Dilain pihak polimer yang
struktur tiga dimensinya terkeraskan karena pemanasan, tidak bersifat dapat
mengalir lagi karena pemanasan. Beberapa diantaranya polimer rantai seperti
polietilena, nylon dan sebagainya mempunyai molekul-molekul yang tersusun
secara teratur membentuk kristal (USU, 2011).
Berdasarkan sumbernya polimer dapat dibagi menjadi polimer alam dan
polimer sintetik. Polimer alam adalah polimer yang terjadi melalui proses alami.
Contoh polimer alam anorganik seperti tanah liat, pasir, sol-gel, silika, siloksan.
Sedangkan contoh polimer organik alam adalah karet alam dan selulosa yang
berasal dari tumbuhan, wol dan sutera yang berasal dari hewan serta asbes yang
berasal dari mineral. Polimer sintetik adalah polimer yang dibuat melalui reaksi
kimia sepeti karet fiber, nilon, poliester, polisterena, polietilen. Berdasarkan sifat
termal polimer dibagi menjadi dua jenis yaitu: 1) polimer termoplastik,polimer ini
mempunyai sifat fleksibel, dapat melunak bila dipanaskan dan kaku(mengeras)
bila didinginkan, contohnya: polietilena (PE), polipropilena (PP), polivinilklorida
(PVC), nilon, dan poliester, 2)polimer termosetjenis ini mempunyai berat molekul
yang tinggi, tidak melunak, dan sukar larut, contohnya, polimetan sebagai bahan
pengemas dan melamin formaldehida (Jumaidi, 2014).
5
Universitas Sumatera Utara
6
Gambar 1. Jenis-Jenis Polimer (Onny,2013)
Berdasarkan fasenya, polimer terdiri dari dua jenis yaitu 1). kristalin,
yang mempunyai susunan antara rantai yang satu dengan rantai yang lain adalah
teratur dan mempunyai titik leleh (melting point), 2)amorf yang mempunyai
susunan antara rantai yang satu dengan yang lain orientasinya acak dan
mempunyai temperatur transisi gelas (Nurhidayat, 2007).
Bahan Material Penyusun Polypropylene (PP)
Ciri-ciri plastik jenis ini biasanya transparan tetapi tidak jernih atau
berawan, keras tetapi fleksibel, kuat, permukaan berlilin, tahan terhadap bahan
kimia, panas dan minyak, melunak pada suhu 140oC. Merupakan pilihan bahan
plastik yang baik untuk kemasan pangan, tempat obat, botol susu, sedotan
(Meiriza, dkk., 2012).
Universitas Sumatera Utara
7
Bahan baku utama dari PP adalah propena yang diambil dari minyak bumi untuk
menjadi polipropilena. Bahan baku penunjang antara lain katalis, kokatalis,
selectivitycontrol agent, hidrogen, nitogen, karbon monoksida, dan aditif (Meiriza,
dkk., 2012). Polipropilena mempunyai sifat-sifat dapat larut dalam senyawa
organik, tahan panas, mempunyai daya renggang tinggi, tidak beracun, tahan
terhadap bahan kimia. Sifat-sifat inilah yang membuat manusia beralih ke polimer
khususnya plastik untuk memenuhi kebutuhannya dan meninggalkan bahan lain
seperti besi, alumunium, kayu, kaca dan lainnya untuk tujuan kebutuhan yang
sama (Wisudha, 2007).
Tabel 1. Sifat Fisik Polipropiena
Parameter
Temperatur kritik (OC)
Titik didih (P : 1013 kPa dlm oC)
Titik leleh (oC)
Bau
Berat molekul
Konduktivitas (W/m)
Amorf (g/cm3)
Kristalin (g/cm3)
Cp (kJ/kg K)
isotaktik (%)
ataktik (%)
Spesific Gravity
Densitas kritik (g/ml)
Tekanan kritik (MPa)
(Sumber: Meiriza, dkk., 2012)
Nilai
92
47,7
190-200
Bau gas alam (sweet odor)
42,078
0,12
0,85
0,95
2,1770
95-97
3-5
0,516
0,233
4,3
Bahan Bakar
Menurut Saptoadi (2011) bahwa bahan bakar biomassa cangkang kemiri
memiliki nilai kalor yang cukup tinggi yaitu berkisar antara 16748,5 kJ/kg sampai
21960 kJ/kg, nilai kalor untuk bahan bakar biomassa tempurung kelapa menurut
literatur Engineering Toolbox (2008) berkisar 18200 kJ/kg dan untuk nilai kalor
cangkang kelapa sawit sebesar 16.250 kj/Kgsedangkan nilai kalor untuk bahan
Universitas Sumatera Utara
8
bakar biomassa kayu tertinggi dicapai jika kayu dalam kondisi kering tanur, yaitu
sekitar 4500 kkal/kg(Haygreen et al., 2003).
Limbah Polimer
Sampah plastik terdiri dari beberapa jenis diantaranyalow density
polyethylene (LDPE), high density polyethylene (HDPE), polietilena tereftalat
(PET), polypropylene (PP), polistyrene (PS), dan polivinil klorida (PVC) (Lettieri
and Al-Salem, 2011). Secara keseluruhan, sekitar 50- 70% dari total sampah
plastik adalah bahan kemasan yang berasal dari polyethylene, polypropylene,
polystyrene, dan polyvinyl chloride (Scott, dkk., 1990). Rata-rata, polyethylene
membentuk fraksi terbesar dari semua limbah plastik (69%), terutama kantong
plastik (Buekens and Huang, 2008).Polyethylene terdiri 63% dari total sampah
kemasanpolyethylene (PE), kepadatan rendah dan kepadatan tinggi dan
polipropylene (PP) yang paling banyak digunakan. HDPE dapat didaur ulang dan
dapat ditemukan dalam botol plastik, kotak penyimpanan, pipa dan isolasi kabel,
dan banyak kegunaan lainnya. LDPE dapat dimanfaatkan untuk membuat bagianbagian komputer, mainan, botol lembut, pembungkus, kembali lembar untuk
popok, dan berbagai aplikasi tambahan. Dalam industri kemasan, ketiga polimer,
PP, PS dan PE, secara luas digunakan (Miskolczi, dkk., 2004). Polyvinil klorida
(PVC) adalah plastik lain yang populer yang terkait dengan berbagai aplikasi,
misalnya, pipa pipa, kabel listrik isolasi, dan kursi mobil selimut. Polietilena
tereftalat (PET) juga merupakan polimer umum yang telah ditemukan banyak
aplikasinya,contohnya, film, serat, dan wadah makanan dan botol minuman
(Begley dan Hollifield, 2009)
Universitas Sumatera Utara
Dampak Limbah Polimer Terhadap Lingkungan
Dilihat dari perkembanganindustri-industri yang sedang berjalan,
produksi sampah plastik sangat berkembang dan mendominasi seluruh
industri.Penelitian ini terfokus kepada plastik bekas konsumen termasuk
termoplastik (seperti polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate
(PET) dan density polyethylene tinggi (HDPE) (Bazargan et al., 2013 ).
Pengelolaan Limbah
Di antara limbah yang yang dihasilkan masyarakat dan industri, plastik
memiliki potensi energi (kkal/kg). Selain itu, potensi energi berdasarkan jenis
resin, polipropilena memiliki potensi nilai energi plastikterbesar. Penting
mengingat
polipropilena
adalah
polimer
yang
paling
melimpah
di
Brasil.Daurulang plastik di Brasil mencapai posisi 78%, yaitu 7.440.000 ton. Di
Brazil, daur ulang adalah proses yang paling dimanfaatkan dan menghasilkan
tingkat daur ulang dari 19,4% untuk limbah plastik (Darmadji, 2002).
Alat Pirolisis Polimer
Pirolisis adalah teknik daur ulang tersier di mana organik polimer diubah
menjadi minyak cair, char dan gas padasuhu tinggi melalui dekomposisi termal.
Pirolisisdilakukan pada temperatur yang berbeda mulai dari 300-900◦C, suhu
optimum namun khas untuk plastik limbah adalah sekitar 500-550◦C
(Chen et al., 2014).
Berikut merupakan jenis-jenis alat dari penelitian sebelumnya yaitu:
1) pada penelitianCahyono, dkk. (2016) alat pirolisis sampah plastik yang
dilakukan untuk mengetahui pengaruh suhu terhadap rendemen. Hasil dari
rendemen yang dihasilkan sebesar 36-44%. Yang mana semakin tinggi suhu
9
Universitas Sumatera Utara
10
semakin meningkat rendemennya, 2) jenis alat pengolahan sampah plastik jenis
PP, PET dan PE pada penelitian Budidan Ismanto (2016) pengolahan sampah
plastik jenis PP, PET dan PE menjadi bahan bakar minyak mempunyai rata-rata
rendemen sebesar 70%, 3) jenis alat pengolahan limbah polimer pertanian pada
penelitian Mandatya (2015) mempunyai rendemen sebesar 10%.
Pirolisis
Pirolisis adalah proses dekomposisi termal material organik tanpa
kehadiran oksigen. Pirolisis sejatinya adalah salah satu sub-proses dari gasifikasi
secara keseluruhan. Sama seperti gasifikasi, pirolisis tidak menghasilkan energi
secara langsung, tetapi menghasilkan gas maupun padatan yang dapat
dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Gas tersebut adalah H2 atau CH4 sedang
padatannya adalah arang dengan kandungan fixed carbon yang cukup tinggi
sehingga lebih baik untuk digunakan sebagai bahan bakar. Pada umumnya, proses
pirolisis menggunakan pasir sebagai “teman” bahan bakar (sampah) yang dibakar.
Sampah yang akan dipirolisis pada umumnya dikeringkan dan dibuat butiran
terlebih dahulu agar proses pirolisis berjalan dengan baik(Williams et al., 2007).
Pirolisis katalitik adalah proses pirolisis yang menggunakan katalisator.
Katalisator pada pirolisis diperkenalkan untuk meningkatkan kualitas minyak
yang dihasilkan. Minyak yang dihasilkan dengan pirolisis katalis tidak
memerlukan kembali teknik peningkatan kualitas lagi seperti kondensasi ulang
dan evaporasi ulang. Gambar (2) memperlihatkan proses pirolisis untuk
menghasilkan bahan bakar minyak.
Universitas Sumatera Utara
Sampah plastik
Bahan bakar
Katalisator
Gas
Plastik
Bensin
Kondensor
Reaktor pirolisis
Minyak diesel
Minyak Campuran
Gambar 2. Proses pirolisis plastik untuk menghasilkan bahan bakar
minyak (Zhang, 2007).
Limbah plastik biasanya melibatkan proses pirolisis yang dilakukan tanpa
adanya oksigen pada suhu antara 350°C dan 900°C. Namun, distribusi produk
tergantung pada jenis dari reaktor yang digunakan serta pada distribusipanas
selama
pirolisis.
Hasil
itu
5%
gas,
5%
char,
dan
90%
cairan
(Williams et al., 2007).
Sistem Pembakaran Plastik pada Reaktor
Pirolisis adalah proses fraksinasi material oleh suhu. Proses pirolisis
dimulai pada temperatur sekitar 230°C, ketika komponenyang tidak stabil secara
termal dan bahan bahan yang menguap (volatile matters)pada sampah akan pecah
dan menguap bersamaan dengan komponen lainnya. Produk cair yang menguap
mengandung tar dan polyaromatic hydrocarbon. Produk pirolisis umumnya terdiri
dari tiga jenis, yaitu gas (H2, CO, CO2, H2O, dan CH4), tar (pyrolitic oil), dan
arang. Parameter yang berpengaruh pada kecepatan reaksi pirolisis mempunyai
hubungan yang sangat kompleks, sehingga model matematis persamaan kecepatan
reaksi pirolisis yang diformulasikan oleh setiap peneliti selalu menunjukkan
rumusan empiris yang berbeda (Trianna dan Rochimoellah, 2002). Selain itu,
11
Universitas Sumatera Utara
12
plastik merupakan polimer yang berat molekulnya tidak bisa ditentukan, ataupun
dihitung. Karena itu, kecepatan reaksi dekomposisi didasarkan pada perubahan
massa atau fraksi massa per satuan waktu.
Produk pirolisis selain dipengaruhi oleh suhu dan waktu, juga oleh laju
pemanasan. Waktu berpengaruh pada produk yang akan dihasilkan karena,
semakin lama waktu proses pirolisis berlangsung. Produkyang dihasilkannya
(residu padat, tar, dan gas) makin naik.Meningkatnya temperatur pirolisis
menyebabkan semakin besar pula unsur- unsur dalam kayu pelawan yang terurai
dan terkondensasikan menjadi asap cair (Akbar, dkk., 2013).Ukuran partikel
berpengaruh terhadap hasil,semakin besar ukuran partikel. Luas permukaan per
satuan berat semakin kecil,sehingga proses akan menjadi lambat.Semakin banyak
bahan yang dimasukkan,menyebabkan hasil bahan bakar cair(tar) dan arang
meningkat (Bakkara, 2007).
Sistem Pindah Panas
Heat exchanger adalah sebuah alat yang berfungsi untuk mentransfer
energi panas antara dua atau lebih fluida, antara permukaan padat dengan
fluida,atau antara partikel padat dengan fluida, pada temperatur yang berbeda
serta terjadikontak termal. Heatexchanger dapat pula berfungsi sebagai
alatpembuang
panas,
alat
sterilisasi,
pesteurisasi,
pemisahan
campuran,
distilisasi(pemurnian, ekstraksi), pembentukan konsentrat, kristalisasi, atau juga
untukmengontrol sebuah proses fluida.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3. Perpindahan panas pada kondensor (Onny, 2013)
Pada dasarnya, prinsip kerja yang digunakan pada alat heat exchanger
adalahprinsip kerja dari proses pindah panas. Pindah panas adalah perpindahan
energi darisuatu bidang ke bidang yang lain dengan disertai perubahan temperatur
pada duabidang tersebut (McCabe et al. 2005). Pindah panas dapat terjadi dengan
3 metode,yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Pindah panas pada pipa yang
dipanaskansecara langsung mengalami proses konduksi dan konveksi.
Konduksi
Konduksi dalam suatu bahan mengalir terdapat gradien suhu, maka kalor
akan mengalir tanpa disertai oleh sesuatu gerakan zat. Aliran kalor tersebut
disebut dengan konduksi (McCabe et al. 2005). Menurut Holman (2010) secara
umum besaran kalor dapat dalam konduksi dapat dihitung melalui Persamaan (1):
(1)
di mana :
q : banyaknya kalor (W)
: gradien suhu perpindahan kalor (K/m)
K : konduktivitas termal bahan (W/mK)
A: luas penampang (m2)
13
Universitas Sumatera Utara
14
Besarnya nilai
dipengaruhi bentuk bidang tempat pindah panas terjadi.
Pada silinder berlubang nilainya dapat dicari dengan Persamaan (2):
(Ti To)
(2)
Oleh karena itu, dari persamaan di atas maka besarnya kalor yang dipindahkan
pada bidang silinder berlubang atau pipa dapat ditentukan dengan Persamaan (3):
q=
(3)
di mana:
q
: banyaknya kalor (W)
ri
:Jari-jari dalam pipa (m)
ro
: Jari-jari luar pipa (m)
l
: Panjang pipa (m)
k
: Konduktivitas panas (W/mK)
(
): Perbedaan suhu pipa luar dan pipa dalam (K)
Konveksi
Konveksi arus partikel-partikel utama pembentuk fluida melintas suatu
permukaan tertentu, seperti umpamanya, bidang batas suatu volume kendali arus
akan ikut membawa serta jumlah energi tertentu . Aliran energi tersebut disebut
dengan konveksi (McCabe et al., 2005). Menurut Holman (2010) nilai kalor yang
dipindahkan melalui konveksi dapat ditentukan dengan Persamaan (4):
di mana :
q = h A (Ts
T )
(4)
di mana :
q : Kalor yang dipindahkan (W)
Universitas Sumatera Utara
h
: Koefisien pindah panas konveksi (W/m2K)
A
: Luas permukaan dinding (m2)
(
): Perbedaan suhu dinding dengan suhu fluida (K)
Menurut Lienhard IV dan Lienhard V (2003) konveksi dapat dibedakan
menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Konveksi bebas adalah
perpindahan panas yang terjadi di mana aliran fluida bergerak dengan pengaruh
gravitasi tanpa pengaruh eksternal yang lain. Sedangkan konveksi paksa adalah
proses pindah panas di mana fluida bergerak dengan disengaja dan diatur
kecepatan dan debitnya. Konveksi pada pipa dipengaruhi oleh bilangan reynold,
dimana semakin tinggi kecepatan aliran maka semakin tinggi pula bilangan
reynold yang dihasilkan, yang dapat dicari dengan Persamaan (5):
(5)
di mana:
Re : Bilangan reynold
: Densitas udara (kg/m3)
V
: Kecepatan aliran udara (m/s)
D
: Diameter pipa pemanas air (m)
µ
: Viskositasdinamis udara (kg/ms)
Nilai Pr (Prandtl Number) berfungsi sebagai penghubung antara kecepatan
dengan suhu pada pindah panas, dan dapat ditentukan dengan Persamaan (6):
(6)
Menurut Holman (2010) konveksi natural pergerakan fluida terjadi secara
natural atau yang biasa disebut dengan buoyancy. Densitas merupakan fungsi dari
15
Universitas Sumatera Utara
16
tempertaur, variasi dari densitas padatekanan konstan dapat dinyatakan dalam
koefisien volume ekspansi β. Pada gas ideal β dapat dihitung dengan Persamaan
(7)dengan T adalah suhu Kelvin (K).
(7)
Dengan nilai Grashof dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan
(8):
(8)
di mana:
Gr : Grashof number
: Koefisien volume ekspansi(1/K)
T
: Suhu di dinding (K)
Tw : Suhu pemanasan bahan (K)
v
: Viskositas kinematik (m2/s)
g
: Percepatan gravitasi (m2/s)
Suhu rata-rata pindah panas yang terjadi dapat dihitung dengan Persamaan
(9):
(9)
Tf
di mana:
Tf
: Suhu rata-rata (K)
:Suhu pemanasan bahan (K)
:Suhu di dinding (K)
Besarnya nilai konveksi secara natural (Nuf) dapat dihitung dengan
Persamaan (10):
Universitas Sumatera Utara
Nuf 0,54
(10)
di mana :
f : konveksi secara natural
Gr :Grashof number
Pr :Prandtl number
Nilai koefisien pindah panas secara konveksi dapat dihitung melalui
Persamaan (11) :
(11)
di mana :
h : Koefisien pindah panas secara konveksi (W/m2K)
k : Konduktivitas panas fluida (W/mK)
D : Diameter pipa (m)
: Densitas udara (kg/m3)
u: Viskositas dinamik udara (kg/ms)
cp: Kalor jenis panas udara (kcal/kg°C)
Besarnya nilai Nuf pada pipa horizontal dengan aliran laminar pada 103 <
(Pr.Gr) < 109 dapat dihitung dengan Persamaan (12) :
Nilai dari overall heat transfer coefficient adalah:
(12)
Di mana:
: diameter luar (cm)
: diameter dalam (cm)
: konveksi pada kondensasi (
)
17
Universitas Sumatera Utara
18
: konveksi (
k
)
: Konduktivitas panas fluida (W/mK)
Setelah di dapatkan nilai dari overall heat transfer coefficient maka dapat
ditentukan panjang kondensor yang dibutuhkan untuk mengkondensasikan gas
hasil pirolisis. Sedangkan untuk mengetahui pindah panas yang terjadi pada udara,
oleh sebab itu perlu diketahui pindah massa dari udara di dalam kondensor :
ṁ=ρxvxA
(13)
Pindah panas yang terjadi pada kondensor :
q = ṁ cp ΔT
(14)
(15)
Kemudian data didapatkan untuk mencari luas penampang
(16)
Dan panjang kondensor dapat ditentukan
(17)
di mana :
ṁ
: laju aliran massa (kg/s)
q
: pindah panas yang terjadi pada kondensor (W)
: diameter luar (cm)
cp
: kalor jenis panas
: selisih suhu yang keluar dengan suhu yang masuk oC).
Universitas Sumatera Utara
Kondensasi dan Kondenser
Kondenser merupakan sebuah alat penukar panas (heat exchanger) yang
berfungsi mengkondensasikan fluida kerja.Kondensasi terjadi jika suhu dari bahan
dibawah suhu saturasi dari gas, kemudian pada gas terjadi perubahan fase menjadi
cair. Terdapat dua jenis kondensasi yang terjadi pada proses kondensasi di dalam
kondenser, yaitu kondensasi lapisan (film) dan kondensasi titik (droplet). Pada
kondensasi lapisan, proses terjadinya dimulai dengan timbulnya lapisan film yang
menyelubungi dinding-dinding sebelah dalam pipa dan semakin lama akan
menjadi lapisan tebal serta akhirnya mengalir akibat pengaruh gravitasi. Pada
kondensasi titik, proses kondensasi terjadi dengan dimulainya titik-titik yang
akhirnya berubah dan berkembang menjadi tetesan-tetesan cairan dan jatuh dari
permukaan akibat dari gravitasi (Holman 2010). Terdapat berbagai jenis
heatexchanger yang terdapat dipasaran, yaitu shell and tube heat exchanger,
crossflow heat exchanger dan double pipe heat exchangers.
Ular
Pipa spiral
Teluk
Gambar 4. Heat Exchanger (Onny, 2013).
Ketiga alat penukar panas tersebut memiliki fungsi yang berbeda-beda.
Contohnya pada cross flowheat exchanger biasanya digunakan pada proses
pemanasan dan pendinginan udara ataupun gas sedangkan pada shell and tube
heat exchangers sering diaplikasikan pada penerapan bioteknologi. Menurut
Rohsenow (1973) dalam Holman (2010) nilai dari koefisien pindah panas dari
19
Universitas Sumatera Utara
20
kondensasi lapisan yang terjadi pada pipa horizontal dengan aliran laminar dapat
diketahui dengan Persamaan (18):
(18)
dimana :
h
: Koefisien pindah panas (W/m )
: Densitas (kg/m3)
g
: Gravitasi (m/s2)
hfg : Evaporasi entalpi (kJ/kg)
: Viskositas dinamik (kg/ms)
d
: Diameter (cm)
: Suhu lingkungan(oC)
: Suhu pemanasan bahan (oC)
v : volume reaktor (m3)
Universitas Sumatera Utara
Pipa Spiral (Helical coil)
Pipa spiral memiliki media pendingin air. Air yang keluar dari kondensor
akan dialirkan ke ruang pengering untukmempercepat proses sublimasi pada
bahan (Kurniawan, dkk., 2015).
do= 1,27
P= 1,5 do
Gambar 5. Pipa Spiral (Helical coil)
(Sumber: Kurniawan, dkk., 2015)
Untuk mencari banyaknya jumlah lilitan pada kondensor yang akan
dirancang menggunakan Persamaan (19):
(19)
Untuk menentukan tinggi kondensor yang akan dirancang menggunakan
Persamaan (20)
(20)
di mana:
N : Jumlah lilitan
r : jari-jari(cm)
p : jarak antar pipa(cm)
L : Panjang (cm)
H : Tinggi pipa (cm)
do: diameter luar (cm) (Kurniawan, dkk., 2015)
21
Universitas Sumatera Utara
22
Kapasitas Alat
Menurut Suastawa dkk., (2000) kapasitas kerja suatu alat didefinisikan
sebagai suatu kemampuan kerja suatu alat ataumesin untuk memberikan hasil
(hektar, kilogram, liter) per satuan waktu (jam). Dari satuan kapasitas kerja dapat
dikonversikan menjadi satuan produk per kw per jam, bila alat/mesin itu
menggunakan daya penggerak motor. Jadi satuan kapasitas kerja menjadi:
Ha.jam/kw, kg.jam/kw, Lt.jam/kw.
Jadi satuan kapasitas kerja menjadi :
Ha.jam/Kw, kg.jam/kw, Lt.jam/kw. Persamaan (22) matematisnya dapat ditulis
sebagai berikut:
Kapasitas alat =
(21)
(Daywin, dkk., 2008)
Analisis Ekonomi
Salah satu teknik yang dapat digunakan untuk menganalisis proyek dari
segi ekonomi adalah dengan metode analisis manfaat dan biaya (benefit and cost
analysis), suatau metode yang praktis untuk menentukan kelayakan dan daya tarik
suatu
proyek.
Kelayakan
proyek
untuk
dibangun,
manfaat
bagi
pemilik/masyarakat, serta dampak proyek tersebut pada lingkungan seperti apakah
menimbulkan kebisingan, merusak lingkungan atau berpengaruh negatif terhadap
lingkungan (Purba, 2007).
Biaya Pemakaian Alat
Analisis manfaat variabel dan biaya yang dibahas ditinjau dari segi fixed
benefit, yaitu benefit, cost, investment
yang sama besarnya tiap-tiap periode
(tahun). Barang tertentu tidak dijumpai yang demikian dalam kenyataan tetapi
umumnya benefit dan cost yang berbeda besarnya tiap-tiap periode (tahun).
Universitas Sumatera Utara
Namun ditinjau dari segi estimated dalam perencanaan pembangunan (perluasan,
rehabilitasi) suatu proyek, prosedur fixed benefit dapat juga digunakan walaupun
kurang sempurna.
Biaya pokok
(22)
Dimana :
BT : total biaya tetap (Rp/Tahun)
BTT: total biaya tidak tetap (Rp/Jam)
x : total jam kerja pertahun (Jam/Tahun)
C : kapasitas alat (Jam/liter)
Biaya Tetap
Biaya tetap adalah biaya yang jumlah totalnya tetap konstan, tidak,
dipengaruhi oleh perubahan volume kegiatan atau aktivitas sampai dengan
tingkatan tertentu. Biaya tetap per unit berbanding terbalik secara proporsional
dengan perubahan volume kegiatan atau kapasitas. Semakin tinggi tingkat
kegiatan, maka semakin rendah biaya tetap per unit. Semakin rendah tingkat
kegiatan, maka semakin tinggi biaya tetap per unit. Biaya tetap terdiri dariBiaya
1) Penyusutan (metode sinking fund)
/F, i, n) (F/P,i,t-1)
(23)
di mana:
Dt : biaya penyusutan (Rp/Tahun)
P : nilai awal alsin (harga beli/pembuatan) (Rp)
S : nilai akhir alsin (10% dari P) (Rp)
n : umur ekonomi (tahun)
i : tingkat bunga modal
23
Universitas Sumatera Utara
24
2)
Biaya bunga modal dan asuransi, perhitungan digabungkan besarnya
(24)
di mana :
i
: total persentase bunga modal dan asuransi (17 % pertahun)
P
: nilai awal alsin (harga beli/pembuatan) (Rp)
n : umur ekonomi (tahun)
Di negara kita belum ada ketentuan besar pajak secara khusus untuk
mesin-mesin dan perlatan pertanian, beberapa literatur menganjurkan bahwa biaya
pajak alsin pertanian diperkirakan sebesar 2% pertahun dari nilai awalnya.Biaya
gudang atau gedung diperkirakan berkisar 0,5-1%, rata-rata diperhitungkan 1%
nilai awal (P) pertahun
Biaya Tidak Tetap
Biaya variabel (Variable cost) adalah biaya yang jumlah totalnya berubah
secara
sebanding
(proporsional)
dengan
perubahan
volume
kegiatan.
Semakintinggi volume kegiatan atau aktivitas, maka secara proporsional semakin
tinggi pula total biaya variabel. Semakin rendah volume kegiatan, maka secara
proporsional semakin rendah pula total biaya variabel. Dalam hubungannya
dengan perilaku biaya, maka biaya variabel dapat digolongkan menjadi dua, yaitu:
Engineered variable cost adalah biaya yang antara masukan (input) dan
keluarannya (output) mempunyai hubungan erat dan nyata. Jika masukannya
berubah maka keluarannya pun berubah secara proporsional. Contohnya adalah
biaya bahan baku.Discretionary variable costhampir semua biaya variabel
merupakan engineered variable costtetapi ada beberapa biaya variabel yang bukan
merupakan engineered variable cost, sehingga dikelompokkan ke dalam
Universitas Sumatera Utara
discretionary variable cost. Contoh dari discretionary variable cost adalah biaya
promosi yang ditetapkan oleh manajemen berdasarkan prosentase tertentu dari
pendapatan penjualan (Supriyono, 2011)
Biaya tidak tetap terdiri dari biaya bahan bakar, biaya perbaikan untuk
reaktor sebagai tempat pembakaran serta biaya operator. Biaya bahan bakar dapat
dihitung dengan Persamaan (25)
Bahan bakar =
(25)
Biaya perbaikan ini dapat dihitung dengan Persamaan (26)
(26)
di mana :
P : nilai awal alsin (harga beli/pembuatan) (Rp)
S : nilai akhir alsin (10% dari P) (Rp)
Biaya karyawan/operator yaitu biaya untuk gaji operator. Biaya
karyawan/operator tergantung kepada kondisi lokal, dapat diperkirakan dari gaji
bulanan atau gaji pertahun dibagi dengan total jam kerjanya (Giatman, M., 2006)
Break Even Point
Break Even Point (BEP) dapat diartikan sebagai suatu titik atau keadaan
dimana perusahaan di dalam operasinya tidak memperoleh keuntungan dan tidak
menderita kerugian. Dengan kata lain, pada keadaan itu keuntungan atau kerugian
sama dengan nol. Hal tersebut dapat terjadi bila perusahaan dalam operasinya
menggunakan biaya tetap, dan volume penjualan hanya cukup untuk menutup
biaya tetap dan biaya variabel. Apabila penjualan hanya cukup untuk menutup
biaya variabel dan sebagian biaya tetap, maka perusahaan menderita kerugian.
25
Universitas Sumatera Utara
26
Dan sebaliknya akan memperoleh memperoleh keuntungan, bila penjualan
melebihi biaya variabel dan biaya tetap yang harus di keluarkan.
Analisis Break even secara umum dapat memberikan informasi kepada
pimpinan, bagaimana pola hubungan antara volume penjualan, cost (biaya), dan
tingkat keuntungan yang akan diperoleh pada level penjualan tertentu. Analisis
break even dapat membantu pimpinan dalm mengambil keputusan mengenaihalhal yaitu: jumlah penjualan minimalyang harus dipertahankanagar perusahaan
tidak mengalami kerugian, jumlah penjualan yang harus dicapai untuk
memperoleh keuntungan tertentu, seberapa jauhkah berkurangnya penjualan agar
perusahaan tidak mendapat kerugian, untuk mengetahui bagaimana efek
perubahan harga jual, biaya dan volume penjualan terhadap keuntungan yang
diperoleh.
BEP dapat ditentukan atau dihitung berdasarkan formula tertentu, yaitu:
BEP
(27)
Net Present Value
Dalam metode ini kita menggunakan faktor diskon. Semua pengeluaran
dan penerimaan (dimana saat pengeluaran serta penerimaannya adalah dalam
waktu yang tidak bersamaan) harus diperbandingkan dengan nilai yang sebanding
dalam arti waktu. Dalam hal ini berarti kita harus mendiskonkan nilai-nilai
pengeluaran dan penerimaan tersebut ke dalam penilaian yang sebanding (sama).
Pengeluaran dilakukanpada saat mula-mula (sekarang), sedangkan penerimaan
baru akan diperoleh di masa-masa yang akan datang, padahal nilai uang sekarang
adalah tidak sama (lebih tinggi) dari nilai uang dikemudian hari. Oleh karena itu,
Universitas Sumatera Utara
jumlah estimasi penerimaan itu harus didiskonkan, kita jadikan jumlah-jumlah
nilai saat ini (penilaian sebanding dengan pengeluarannya) (Husnan, 2000).
Net Present Value dari investasi dapat diperoleh dengan menggunakan
formula sebagai berikut.
CIF- COF
(28)
di mana:
CIF : Keuntungan Arus kas (Cash inflow )
COF : Biaya Arus Kas (Cash outflow)
Sementara itu keuntungan yang diharapkan dari investasi yang dilakukan
bertindak sebagai tingkat bunga modal dalam perhitungan:
Penerimaan (CIF) = pendapatan
Pengeluaran (COF) = investasi
, i, n
pembiayaan (
, i, n
, i, n
(29)
(30)
Kriteria nilai NPV sebagai berikut:
a. NPV > 0, proyek menguntungkan
b. NPV < 0, proyek tidak layak diusahakan
c. NPV = 0, berarti netral atau berada pada break even point (BEP).
(Giatman, 2006)
Internal Rate of Return
Internal rate of return adalah tingkat diskon (discount rate) yang
menjadikan sama antara present value dari penerimaan cash dan present value
dari nilai atau investasi tingkat diskon (discount rate) yang menunjukan net
present value atau sama besarnya dengan nol. Internal rate of return dapat dicari
dengan sistem coba-coba (trial and error) yaitu mencari NPV pada tingkat diskon
yang kita sukai. Apabila dengan discount rate yang kita pilih dihasilkan NPV
27
Universitas Sumatera Utara
28
positif (+), maka IRR yang akan dicari adalah di atas discount rate tersebut,
seterusnya kita cari dengan coba-coba sampai menemukan discount rate yang
menghasilkan NPV = 0 (nol). Tetapi internal rate of return dapat dicari dengan
rumus :
IRR
=
(31)
di mana:
= Suku bunga bank paling atraktif
= Suku bunga coba-coba
= NPV awal pada
= NPV pada
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
Karakteristik Polimer
Seiring perubahan zaman, produksi plastik memiliki sejarah industri sejak
polimer sintetis pertama kali diperkenalkan ke bidang industri di tahun 1940-an
(Al Salem et al., 2009). Beberapa keuntungan menggunakan plastik termasuk
resistensi yang tinggi terhadap korosi, fleksibilitas yang tinggi untuk proses dan
biaya produksi yang rendah. Selain itu, mereka menjalar digunakan dalam sistem
pengiriman medis, organ buatan dan obat-obatan lainnya (Subramanian, 2000).
Polimer adalah suatu bahan yang terdiri dari unit molekul yang disebut
monomer. Jika monomernya sejenis disebut homopolimer, dan jika monomernya
berbeda akan menghasilkan kopolimer. Polimer alam yang telah kita kenal antara
lain adalah selulosa, protein, karet alam dan sejenisnya. Pada mulanya manusia
menggunakan polimer alam hanya untuk membuat perkakas dan senjata, tetapi
keadaan ini hanya bertahan hingga akhir abad 19 dan selanjutnya manusia mulai
memodifikasi polimer menjadi plastik. Plastik yang pertama kali dibuat secara
komersial adalah nitroselulosa. Material plastik telah berkembang pesat dan
sekarang mempunyai peranan yang sangat penting dibidang elektronika,
pertanian, tekstil, transportasi, furniture, konstruksi, kemasan kosmetik, mainan
anak – anak dan produk – produk industri lainnya (Mujiarto, 2005).
Jenis-Jenis Polimer dan Penggunaanya
Molekul polimer disusun dalam satu struktur rantai seperti polietilen dan
polipropilen, dalam struktur tiga dimensi dengan ikatan kovalen seperti phenol
dan resin epoksi, dalam struktur hubungan silang seperti karet dimana sebagian
molekul rantai terikat satu sama lain. Sifat-sifat termik dan mekanik dari polimer
4
Universitas Sumatera Utara
sangat berbeda tergantung pada keadaan. Kebanyakan molekul rantai memberikan
sifat termoplastik dengan menaikkan temperatur, dapat mencair dan mengalir.
Bahan tersebut dinamakan polimer termoplastik. Dilain pihak polimer yang
struktur tiga dimensinya terkeraskan karena pemanasan, tidak bersifat dapat
mengalir lagi karena pemanasan. Beberapa diantaranya polimer rantai seperti
polietilena, nylon dan sebagainya mempunyai molekul-molekul yang tersusun
secara teratur membentuk kristal (USU, 2011).
Berdasarkan sumbernya polimer dapat dibagi menjadi polimer alam dan
polimer sintetik. Polimer alam adalah polimer yang terjadi melalui proses alami.
Contoh polimer alam anorganik seperti tanah liat, pasir, sol-gel, silika, siloksan.
Sedangkan contoh polimer organik alam adalah karet alam dan selulosa yang
berasal dari tumbuhan, wol dan sutera yang berasal dari hewan serta asbes yang
berasal dari mineral. Polimer sintetik adalah polimer yang dibuat melalui reaksi
kimia sepeti karet fiber, nilon, poliester, polisterena, polietilen. Berdasarkan sifat
termal polimer dibagi menjadi dua jenis yaitu: 1) polimer termoplastik,polimer ini
mempunyai sifat fleksibel, dapat melunak bila dipanaskan dan kaku(mengeras)
bila didinginkan, contohnya: polietilena (PE), polipropilena (PP), polivinilklorida
(PVC), nilon, dan poliester, 2)polimer termosetjenis ini mempunyai berat molekul
yang tinggi, tidak melunak, dan sukar larut, contohnya, polimetan sebagai bahan
pengemas dan melamin formaldehida (Jumaidi, 2014).
5
Universitas Sumatera Utara
6
Gambar 1. Jenis-Jenis Polimer (Onny,2013)
Berdasarkan fasenya, polimer terdiri dari dua jenis yaitu 1). kristalin,
yang mempunyai susunan antara rantai yang satu dengan rantai yang lain adalah
teratur dan mempunyai titik leleh (melting point), 2)amorf yang mempunyai
susunan antara rantai yang satu dengan yang lain orientasinya acak dan
mempunyai temperatur transisi gelas (Nurhidayat, 2007).
Bahan Material Penyusun Polypropylene (PP)
Ciri-ciri plastik jenis ini biasanya transparan tetapi tidak jernih atau
berawan, keras tetapi fleksibel, kuat, permukaan berlilin, tahan terhadap bahan
kimia, panas dan minyak, melunak pada suhu 140oC. Merupakan pilihan bahan
plastik yang baik untuk kemasan pangan, tempat obat, botol susu, sedotan
(Meiriza, dkk., 2012).
Universitas Sumatera Utara
7
Bahan baku utama dari PP adalah propena yang diambil dari minyak bumi untuk
menjadi polipropilena. Bahan baku penunjang antara lain katalis, kokatalis,
selectivitycontrol agent, hidrogen, nitogen, karbon monoksida, dan aditif (Meiriza,
dkk., 2012). Polipropilena mempunyai sifat-sifat dapat larut dalam senyawa
organik, tahan panas, mempunyai daya renggang tinggi, tidak beracun, tahan
terhadap bahan kimia. Sifat-sifat inilah yang membuat manusia beralih ke polimer
khususnya plastik untuk memenuhi kebutuhannya dan meninggalkan bahan lain
seperti besi, alumunium, kayu, kaca dan lainnya untuk tujuan kebutuhan yang
sama (Wisudha, 2007).
Tabel 1. Sifat Fisik Polipropiena
Parameter
Temperatur kritik (OC)
Titik didih (P : 1013 kPa dlm oC)
Titik leleh (oC)
Bau
Berat molekul
Konduktivitas (W/m)
Amorf (g/cm3)
Kristalin (g/cm3)
Cp (kJ/kg K)
isotaktik (%)
ataktik (%)
Spesific Gravity
Densitas kritik (g/ml)
Tekanan kritik (MPa)
(Sumber: Meiriza, dkk., 2012)
Nilai
92
47,7
190-200
Bau gas alam (sweet odor)
42,078
0,12
0,85
0,95
2,1770
95-97
3-5
0,516
0,233
4,3
Bahan Bakar
Menurut Saptoadi (2011) bahwa bahan bakar biomassa cangkang kemiri
memiliki nilai kalor yang cukup tinggi yaitu berkisar antara 16748,5 kJ/kg sampai
21960 kJ/kg, nilai kalor untuk bahan bakar biomassa tempurung kelapa menurut
literatur Engineering Toolbox (2008) berkisar 18200 kJ/kg dan untuk nilai kalor
cangkang kelapa sawit sebesar 16.250 kj/Kgsedangkan nilai kalor untuk bahan
Universitas Sumatera Utara
8
bakar biomassa kayu tertinggi dicapai jika kayu dalam kondisi kering tanur, yaitu
sekitar 4500 kkal/kg(Haygreen et al., 2003).
Limbah Polimer
Sampah plastik terdiri dari beberapa jenis diantaranyalow density
polyethylene (LDPE), high density polyethylene (HDPE), polietilena tereftalat
(PET), polypropylene (PP), polistyrene (PS), dan polivinil klorida (PVC) (Lettieri
and Al-Salem, 2011). Secara keseluruhan, sekitar 50- 70% dari total sampah
plastik adalah bahan kemasan yang berasal dari polyethylene, polypropylene,
polystyrene, dan polyvinyl chloride (Scott, dkk., 1990). Rata-rata, polyethylene
membentuk fraksi terbesar dari semua limbah plastik (69%), terutama kantong
plastik (Buekens and Huang, 2008).Polyethylene terdiri 63% dari total sampah
kemasanpolyethylene (PE), kepadatan rendah dan kepadatan tinggi dan
polipropylene (PP) yang paling banyak digunakan. HDPE dapat didaur ulang dan
dapat ditemukan dalam botol plastik, kotak penyimpanan, pipa dan isolasi kabel,
dan banyak kegunaan lainnya. LDPE dapat dimanfaatkan untuk membuat bagianbagian komputer, mainan, botol lembut, pembungkus, kembali lembar untuk
popok, dan berbagai aplikasi tambahan. Dalam industri kemasan, ketiga polimer,
PP, PS dan PE, secara luas digunakan (Miskolczi, dkk., 2004). Polyvinil klorida
(PVC) adalah plastik lain yang populer yang terkait dengan berbagai aplikasi,
misalnya, pipa pipa, kabel listrik isolasi, dan kursi mobil selimut. Polietilena
tereftalat (PET) juga merupakan polimer umum yang telah ditemukan banyak
aplikasinya,contohnya, film, serat, dan wadah makanan dan botol minuman
(Begley dan Hollifield, 2009)
Universitas Sumatera Utara
Dampak Limbah Polimer Terhadap Lingkungan
Dilihat dari perkembanganindustri-industri yang sedang berjalan,
produksi sampah plastik sangat berkembang dan mendominasi seluruh
industri.Penelitian ini terfokus kepada plastik bekas konsumen termasuk
termoplastik (seperti polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate
(PET) dan density polyethylene tinggi (HDPE) (Bazargan et al., 2013 ).
Pengelolaan Limbah
Di antara limbah yang yang dihasilkan masyarakat dan industri, plastik
memiliki potensi energi (kkal/kg). Selain itu, potensi energi berdasarkan jenis
resin, polipropilena memiliki potensi nilai energi plastikterbesar. Penting
mengingat
polipropilena
adalah
polimer
yang
paling
melimpah
di
Brasil.Daurulang plastik di Brasil mencapai posisi 78%, yaitu 7.440.000 ton. Di
Brazil, daur ulang adalah proses yang paling dimanfaatkan dan menghasilkan
tingkat daur ulang dari 19,4% untuk limbah plastik (Darmadji, 2002).
Alat Pirolisis Polimer
Pirolisis adalah teknik daur ulang tersier di mana organik polimer diubah
menjadi minyak cair, char dan gas padasuhu tinggi melalui dekomposisi termal.
Pirolisisdilakukan pada temperatur yang berbeda mulai dari 300-900◦C, suhu
optimum namun khas untuk plastik limbah adalah sekitar 500-550◦C
(Chen et al., 2014).
Berikut merupakan jenis-jenis alat dari penelitian sebelumnya yaitu:
1) pada penelitianCahyono, dkk. (2016) alat pirolisis sampah plastik yang
dilakukan untuk mengetahui pengaruh suhu terhadap rendemen. Hasil dari
rendemen yang dihasilkan sebesar 36-44%. Yang mana semakin tinggi suhu
9
Universitas Sumatera Utara
10
semakin meningkat rendemennya, 2) jenis alat pengolahan sampah plastik jenis
PP, PET dan PE pada penelitian Budidan Ismanto (2016) pengolahan sampah
plastik jenis PP, PET dan PE menjadi bahan bakar minyak mempunyai rata-rata
rendemen sebesar 70%, 3) jenis alat pengolahan limbah polimer pertanian pada
penelitian Mandatya (2015) mempunyai rendemen sebesar 10%.
Pirolisis
Pirolisis adalah proses dekomposisi termal material organik tanpa
kehadiran oksigen. Pirolisis sejatinya adalah salah satu sub-proses dari gasifikasi
secara keseluruhan. Sama seperti gasifikasi, pirolisis tidak menghasilkan energi
secara langsung, tetapi menghasilkan gas maupun padatan yang dapat
dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Gas tersebut adalah H2 atau CH4 sedang
padatannya adalah arang dengan kandungan fixed carbon yang cukup tinggi
sehingga lebih baik untuk digunakan sebagai bahan bakar. Pada umumnya, proses
pirolisis menggunakan pasir sebagai “teman” bahan bakar (sampah) yang dibakar.
Sampah yang akan dipirolisis pada umumnya dikeringkan dan dibuat butiran
terlebih dahulu agar proses pirolisis berjalan dengan baik(Williams et al., 2007).
Pirolisis katalitik adalah proses pirolisis yang menggunakan katalisator.
Katalisator pada pirolisis diperkenalkan untuk meningkatkan kualitas minyak
yang dihasilkan. Minyak yang dihasilkan dengan pirolisis katalis tidak
memerlukan kembali teknik peningkatan kualitas lagi seperti kondensasi ulang
dan evaporasi ulang. Gambar (2) memperlihatkan proses pirolisis untuk
menghasilkan bahan bakar minyak.
Universitas Sumatera Utara
Sampah plastik
Bahan bakar
Katalisator
Gas
Plastik
Bensin
Kondensor
Reaktor pirolisis
Minyak diesel
Minyak Campuran
Gambar 2. Proses pirolisis plastik untuk menghasilkan bahan bakar
minyak (Zhang, 2007).
Limbah plastik biasanya melibatkan proses pirolisis yang dilakukan tanpa
adanya oksigen pada suhu antara 350°C dan 900°C. Namun, distribusi produk
tergantung pada jenis dari reaktor yang digunakan serta pada distribusipanas
selama
pirolisis.
Hasil
itu
5%
gas,
5%
char,
dan
90%
cairan
(Williams et al., 2007).
Sistem Pembakaran Plastik pada Reaktor
Pirolisis adalah proses fraksinasi material oleh suhu. Proses pirolisis
dimulai pada temperatur sekitar 230°C, ketika komponenyang tidak stabil secara
termal dan bahan bahan yang menguap (volatile matters)pada sampah akan pecah
dan menguap bersamaan dengan komponen lainnya. Produk cair yang menguap
mengandung tar dan polyaromatic hydrocarbon. Produk pirolisis umumnya terdiri
dari tiga jenis, yaitu gas (H2, CO, CO2, H2O, dan CH4), tar (pyrolitic oil), dan
arang. Parameter yang berpengaruh pada kecepatan reaksi pirolisis mempunyai
hubungan yang sangat kompleks, sehingga model matematis persamaan kecepatan
reaksi pirolisis yang diformulasikan oleh setiap peneliti selalu menunjukkan
rumusan empiris yang berbeda (Trianna dan Rochimoellah, 2002). Selain itu,
11
Universitas Sumatera Utara
12
plastik merupakan polimer yang berat molekulnya tidak bisa ditentukan, ataupun
dihitung. Karena itu, kecepatan reaksi dekomposisi didasarkan pada perubahan
massa atau fraksi massa per satuan waktu.
Produk pirolisis selain dipengaruhi oleh suhu dan waktu, juga oleh laju
pemanasan. Waktu berpengaruh pada produk yang akan dihasilkan karena,
semakin lama waktu proses pirolisis berlangsung. Produkyang dihasilkannya
(residu padat, tar, dan gas) makin naik.Meningkatnya temperatur pirolisis
menyebabkan semakin besar pula unsur- unsur dalam kayu pelawan yang terurai
dan terkondensasikan menjadi asap cair (Akbar, dkk., 2013).Ukuran partikel
berpengaruh terhadap hasil,semakin besar ukuran partikel. Luas permukaan per
satuan berat semakin kecil,sehingga proses akan menjadi lambat.Semakin banyak
bahan yang dimasukkan,menyebabkan hasil bahan bakar cair(tar) dan arang
meningkat (Bakkara, 2007).
Sistem Pindah Panas
Heat exchanger adalah sebuah alat yang berfungsi untuk mentransfer
energi panas antara dua atau lebih fluida, antara permukaan padat dengan
fluida,atau antara partikel padat dengan fluida, pada temperatur yang berbeda
serta terjadikontak termal. Heatexchanger dapat pula berfungsi sebagai
alatpembuang
panas,
alat
sterilisasi,
pesteurisasi,
pemisahan
campuran,
distilisasi(pemurnian, ekstraksi), pembentukan konsentrat, kristalisasi, atau juga
untukmengontrol sebuah proses fluida.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3. Perpindahan panas pada kondensor (Onny, 2013)
Pada dasarnya, prinsip kerja yang digunakan pada alat heat exchanger
adalahprinsip kerja dari proses pindah panas. Pindah panas adalah perpindahan
energi darisuatu bidang ke bidang yang lain dengan disertai perubahan temperatur
pada duabidang tersebut (McCabe et al. 2005). Pindah panas dapat terjadi dengan
3 metode,yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Pindah panas pada pipa yang
dipanaskansecara langsung mengalami proses konduksi dan konveksi.
Konduksi
Konduksi dalam suatu bahan mengalir terdapat gradien suhu, maka kalor
akan mengalir tanpa disertai oleh sesuatu gerakan zat. Aliran kalor tersebut
disebut dengan konduksi (McCabe et al. 2005). Menurut Holman (2010) secara
umum besaran kalor dapat dalam konduksi dapat dihitung melalui Persamaan (1):
(1)
di mana :
q : banyaknya kalor (W)
: gradien suhu perpindahan kalor (K/m)
K : konduktivitas termal bahan (W/mK)
A: luas penampang (m2)
13
Universitas Sumatera Utara
14
Besarnya nilai
dipengaruhi bentuk bidang tempat pindah panas terjadi.
Pada silinder berlubang nilainya dapat dicari dengan Persamaan (2):
(Ti To)
(2)
Oleh karena itu, dari persamaan di atas maka besarnya kalor yang dipindahkan
pada bidang silinder berlubang atau pipa dapat ditentukan dengan Persamaan (3):
q=
(3)
di mana:
q
: banyaknya kalor (W)
ri
:Jari-jari dalam pipa (m)
ro
: Jari-jari luar pipa (m)
l
: Panjang pipa (m)
k
: Konduktivitas panas (W/mK)
(
): Perbedaan suhu pipa luar dan pipa dalam (K)
Konveksi
Konveksi arus partikel-partikel utama pembentuk fluida melintas suatu
permukaan tertentu, seperti umpamanya, bidang batas suatu volume kendali arus
akan ikut membawa serta jumlah energi tertentu . Aliran energi tersebut disebut
dengan konveksi (McCabe et al., 2005). Menurut Holman (2010) nilai kalor yang
dipindahkan melalui konveksi dapat ditentukan dengan Persamaan (4):
di mana :
q = h A (Ts
T )
(4)
di mana :
q : Kalor yang dipindahkan (W)
Universitas Sumatera Utara
h
: Koefisien pindah panas konveksi (W/m2K)
A
: Luas permukaan dinding (m2)
(
): Perbedaan suhu dinding dengan suhu fluida (K)
Menurut Lienhard IV dan Lienhard V (2003) konveksi dapat dibedakan
menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Konveksi bebas adalah
perpindahan panas yang terjadi di mana aliran fluida bergerak dengan pengaruh
gravitasi tanpa pengaruh eksternal yang lain. Sedangkan konveksi paksa adalah
proses pindah panas di mana fluida bergerak dengan disengaja dan diatur
kecepatan dan debitnya. Konveksi pada pipa dipengaruhi oleh bilangan reynold,
dimana semakin tinggi kecepatan aliran maka semakin tinggi pula bilangan
reynold yang dihasilkan, yang dapat dicari dengan Persamaan (5):
(5)
di mana:
Re : Bilangan reynold
: Densitas udara (kg/m3)
V
: Kecepatan aliran udara (m/s)
D
: Diameter pipa pemanas air (m)
µ
: Viskositasdinamis udara (kg/ms)
Nilai Pr (Prandtl Number) berfungsi sebagai penghubung antara kecepatan
dengan suhu pada pindah panas, dan dapat ditentukan dengan Persamaan (6):
(6)
Menurut Holman (2010) konveksi natural pergerakan fluida terjadi secara
natural atau yang biasa disebut dengan buoyancy. Densitas merupakan fungsi dari
15
Universitas Sumatera Utara
16
tempertaur, variasi dari densitas padatekanan konstan dapat dinyatakan dalam
koefisien volume ekspansi β. Pada gas ideal β dapat dihitung dengan Persamaan
(7)dengan T adalah suhu Kelvin (K).
(7)
Dengan nilai Grashof dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan
(8):
(8)
di mana:
Gr : Grashof number
: Koefisien volume ekspansi(1/K)
T
: Suhu di dinding (K)
Tw : Suhu pemanasan bahan (K)
v
: Viskositas kinematik (m2/s)
g
: Percepatan gravitasi (m2/s)
Suhu rata-rata pindah panas yang terjadi dapat dihitung dengan Persamaan
(9):
(9)
Tf
di mana:
Tf
: Suhu rata-rata (K)
:Suhu pemanasan bahan (K)
:Suhu di dinding (K)
Besarnya nilai konveksi secara natural (Nuf) dapat dihitung dengan
Persamaan (10):
Universitas Sumatera Utara
Nuf 0,54
(10)
di mana :
f : konveksi secara natural
Gr :Grashof number
Pr :Prandtl number
Nilai koefisien pindah panas secara konveksi dapat dihitung melalui
Persamaan (11) :
(11)
di mana :
h : Koefisien pindah panas secara konveksi (W/m2K)
k : Konduktivitas panas fluida (W/mK)
D : Diameter pipa (m)
: Densitas udara (kg/m3)
u: Viskositas dinamik udara (kg/ms)
cp: Kalor jenis panas udara (kcal/kg°C)
Besarnya nilai Nuf pada pipa horizontal dengan aliran laminar pada 103 <
(Pr.Gr) < 109 dapat dihitung dengan Persamaan (12) :
Nilai dari overall heat transfer coefficient adalah:
(12)
Di mana:
: diameter luar (cm)
: diameter dalam (cm)
: konveksi pada kondensasi (
)
17
Universitas Sumatera Utara
18
: konveksi (
k
)
: Konduktivitas panas fluida (W/mK)
Setelah di dapatkan nilai dari overall heat transfer coefficient maka dapat
ditentukan panjang kondensor yang dibutuhkan untuk mengkondensasikan gas
hasil pirolisis. Sedangkan untuk mengetahui pindah panas yang terjadi pada udara,
oleh sebab itu perlu diketahui pindah massa dari udara di dalam kondensor :
ṁ=ρxvxA
(13)
Pindah panas yang terjadi pada kondensor :
q = ṁ cp ΔT
(14)
(15)
Kemudian data didapatkan untuk mencari luas penampang
(16)
Dan panjang kondensor dapat ditentukan
(17)
di mana :
ṁ
: laju aliran massa (kg/s)
q
: pindah panas yang terjadi pada kondensor (W)
: diameter luar (cm)
cp
: kalor jenis panas
: selisih suhu yang keluar dengan suhu yang masuk oC).
Universitas Sumatera Utara
Kondensasi dan Kondenser
Kondenser merupakan sebuah alat penukar panas (heat exchanger) yang
berfungsi mengkondensasikan fluida kerja.Kondensasi terjadi jika suhu dari bahan
dibawah suhu saturasi dari gas, kemudian pada gas terjadi perubahan fase menjadi
cair. Terdapat dua jenis kondensasi yang terjadi pada proses kondensasi di dalam
kondenser, yaitu kondensasi lapisan (film) dan kondensasi titik (droplet). Pada
kondensasi lapisan, proses terjadinya dimulai dengan timbulnya lapisan film yang
menyelubungi dinding-dinding sebelah dalam pipa dan semakin lama akan
menjadi lapisan tebal serta akhirnya mengalir akibat pengaruh gravitasi. Pada
kondensasi titik, proses kondensasi terjadi dengan dimulainya titik-titik yang
akhirnya berubah dan berkembang menjadi tetesan-tetesan cairan dan jatuh dari
permukaan akibat dari gravitasi (Holman 2010). Terdapat berbagai jenis
heatexchanger yang terdapat dipasaran, yaitu shell and tube heat exchanger,
crossflow heat exchanger dan double pipe heat exchangers.
Ular
Pipa spiral
Teluk
Gambar 4. Heat Exchanger (Onny, 2013).
Ketiga alat penukar panas tersebut memiliki fungsi yang berbeda-beda.
Contohnya pada cross flowheat exchanger biasanya digunakan pada proses
pemanasan dan pendinginan udara ataupun gas sedangkan pada shell and tube
heat exchangers sering diaplikasikan pada penerapan bioteknologi. Menurut
Rohsenow (1973) dalam Holman (2010) nilai dari koefisien pindah panas dari
19
Universitas Sumatera Utara
20
kondensasi lapisan yang terjadi pada pipa horizontal dengan aliran laminar dapat
diketahui dengan Persamaan (18):
(18)
dimana :
h
: Koefisien pindah panas (W/m )
: Densitas (kg/m3)
g
: Gravitasi (m/s2)
hfg : Evaporasi entalpi (kJ/kg)
: Viskositas dinamik (kg/ms)
d
: Diameter (cm)
: Suhu lingkungan(oC)
: Suhu pemanasan bahan (oC)
v : volume reaktor (m3)
Universitas Sumatera Utara
Pipa Spiral (Helical coil)
Pipa spiral memiliki media pendingin air. Air yang keluar dari kondensor
akan dialirkan ke ruang pengering untukmempercepat proses sublimasi pada
bahan (Kurniawan, dkk., 2015).
do= 1,27
P= 1,5 do
Gambar 5. Pipa Spiral (Helical coil)
(Sumber: Kurniawan, dkk., 2015)
Untuk mencari banyaknya jumlah lilitan pada kondensor yang akan
dirancang menggunakan Persamaan (19):
(19)
Untuk menentukan tinggi kondensor yang akan dirancang menggunakan
Persamaan (20)
(20)
di mana:
N : Jumlah lilitan
r : jari-jari(cm)
p : jarak antar pipa(cm)
L : Panjang (cm)
H : Tinggi pipa (cm)
do: diameter luar (cm) (Kurniawan, dkk., 2015)
21
Universitas Sumatera Utara
22
Kapasitas Alat
Menurut Suastawa dkk., (2000) kapasitas kerja suatu alat didefinisikan
sebagai suatu kemampuan kerja suatu alat ataumesin untuk memberikan hasil
(hektar, kilogram, liter) per satuan waktu (jam). Dari satuan kapasitas kerja dapat
dikonversikan menjadi satuan produk per kw per jam, bila alat/mesin itu
menggunakan daya penggerak motor. Jadi satuan kapasitas kerja menjadi:
Ha.jam/kw, kg.jam/kw, Lt.jam/kw.
Jadi satuan kapasitas kerja menjadi :
Ha.jam/Kw, kg.jam/kw, Lt.jam/kw. Persamaan (22) matematisnya dapat ditulis
sebagai berikut:
Kapasitas alat =
(21)
(Daywin, dkk., 2008)
Analisis Ekonomi
Salah satu teknik yang dapat digunakan untuk menganalisis proyek dari
segi ekonomi adalah dengan metode analisis manfaat dan biaya (benefit and cost
analysis), suatau metode yang praktis untuk menentukan kelayakan dan daya tarik
suatu
proyek.
Kelayakan
proyek
untuk
dibangun,
manfaat
bagi
pemilik/masyarakat, serta dampak proyek tersebut pada lingkungan seperti apakah
menimbulkan kebisingan, merusak lingkungan atau berpengaruh negatif terhadap
lingkungan (Purba, 2007).
Biaya Pemakaian Alat
Analisis manfaat variabel dan biaya yang dibahas ditinjau dari segi fixed
benefit, yaitu benefit, cost, investment
yang sama besarnya tiap-tiap periode
(tahun). Barang tertentu tidak dijumpai yang demikian dalam kenyataan tetapi
umumnya benefit dan cost yang berbeda besarnya tiap-tiap periode (tahun).
Universitas Sumatera Utara
Namun ditinjau dari segi estimated dalam perencanaan pembangunan (perluasan,
rehabilitasi) suatu proyek, prosedur fixed benefit dapat juga digunakan walaupun
kurang sempurna.
Biaya pokok
(22)
Dimana :
BT : total biaya tetap (Rp/Tahun)
BTT: total biaya tidak tetap (Rp/Jam)
x : total jam kerja pertahun (Jam/Tahun)
C : kapasitas alat (Jam/liter)
Biaya Tetap
Biaya tetap adalah biaya yang jumlah totalnya tetap konstan, tidak,
dipengaruhi oleh perubahan volume kegiatan atau aktivitas sampai dengan
tingkatan tertentu. Biaya tetap per unit berbanding terbalik secara proporsional
dengan perubahan volume kegiatan atau kapasitas. Semakin tinggi tingkat
kegiatan, maka semakin rendah biaya tetap per unit. Semakin rendah tingkat
kegiatan, maka semakin tinggi biaya tetap per unit. Biaya tetap terdiri dariBiaya
1) Penyusutan (metode sinking fund)
/F, i, n) (F/P,i,t-1)
(23)
di mana:
Dt : biaya penyusutan (Rp/Tahun)
P : nilai awal alsin (harga beli/pembuatan) (Rp)
S : nilai akhir alsin (10% dari P) (Rp)
n : umur ekonomi (tahun)
i : tingkat bunga modal
23
Universitas Sumatera Utara
24
2)
Biaya bunga modal dan asuransi, perhitungan digabungkan besarnya
(24)
di mana :
i
: total persentase bunga modal dan asuransi (17 % pertahun)
P
: nilai awal alsin (harga beli/pembuatan) (Rp)
n : umur ekonomi (tahun)
Di negara kita belum ada ketentuan besar pajak secara khusus untuk
mesin-mesin dan perlatan pertanian, beberapa literatur menganjurkan bahwa biaya
pajak alsin pertanian diperkirakan sebesar 2% pertahun dari nilai awalnya.Biaya
gudang atau gedung diperkirakan berkisar 0,5-1%, rata-rata diperhitungkan 1%
nilai awal (P) pertahun
Biaya Tidak Tetap
Biaya variabel (Variable cost) adalah biaya yang jumlah totalnya berubah
secara
sebanding
(proporsional)
dengan
perubahan
volume
kegiatan.
Semakintinggi volume kegiatan atau aktivitas, maka secara proporsional semakin
tinggi pula total biaya variabel. Semakin rendah volume kegiatan, maka secara
proporsional semakin rendah pula total biaya variabel. Dalam hubungannya
dengan perilaku biaya, maka biaya variabel dapat digolongkan menjadi dua, yaitu:
Engineered variable cost adalah biaya yang antara masukan (input) dan
keluarannya (output) mempunyai hubungan erat dan nyata. Jika masukannya
berubah maka keluarannya pun berubah secara proporsional. Contohnya adalah
biaya bahan baku.Discretionary variable costhampir semua biaya variabel
merupakan engineered variable costtetapi ada beberapa biaya variabel yang bukan
merupakan engineered variable cost, sehingga dikelompokkan ke dalam
Universitas Sumatera Utara
discretionary variable cost. Contoh dari discretionary variable cost adalah biaya
promosi yang ditetapkan oleh manajemen berdasarkan prosentase tertentu dari
pendapatan penjualan (Supriyono, 2011)
Biaya tidak tetap terdiri dari biaya bahan bakar, biaya perbaikan untuk
reaktor sebagai tempat pembakaran serta biaya operator. Biaya bahan bakar dapat
dihitung dengan Persamaan (25)
Bahan bakar =
(25)
Biaya perbaikan ini dapat dihitung dengan Persamaan (26)
(26)
di mana :
P : nilai awal alsin (harga beli/pembuatan) (Rp)
S : nilai akhir alsin (10% dari P) (Rp)
Biaya karyawan/operator yaitu biaya untuk gaji operator. Biaya
karyawan/operator tergantung kepada kondisi lokal, dapat diperkirakan dari gaji
bulanan atau gaji pertahun dibagi dengan total jam kerjanya (Giatman, M., 2006)
Break Even Point
Break Even Point (BEP) dapat diartikan sebagai suatu titik atau keadaan
dimana perusahaan di dalam operasinya tidak memperoleh keuntungan dan tidak
menderita kerugian. Dengan kata lain, pada keadaan itu keuntungan atau kerugian
sama dengan nol. Hal tersebut dapat terjadi bila perusahaan dalam operasinya
menggunakan biaya tetap, dan volume penjualan hanya cukup untuk menutup
biaya tetap dan biaya variabel. Apabila penjualan hanya cukup untuk menutup
biaya variabel dan sebagian biaya tetap, maka perusahaan menderita kerugian.
25
Universitas Sumatera Utara
26
Dan sebaliknya akan memperoleh memperoleh keuntungan, bila penjualan
melebihi biaya variabel dan biaya tetap yang harus di keluarkan.
Analisis Break even secara umum dapat memberikan informasi kepada
pimpinan, bagaimana pola hubungan antara volume penjualan, cost (biaya), dan
tingkat keuntungan yang akan diperoleh pada level penjualan tertentu. Analisis
break even dapat membantu pimpinan dalm mengambil keputusan mengenaihalhal yaitu: jumlah penjualan minimalyang harus dipertahankanagar perusahaan
tidak mengalami kerugian, jumlah penjualan yang harus dicapai untuk
memperoleh keuntungan tertentu, seberapa jauhkah berkurangnya penjualan agar
perusahaan tidak mendapat kerugian, untuk mengetahui bagaimana efek
perubahan harga jual, biaya dan volume penjualan terhadap keuntungan yang
diperoleh.
BEP dapat ditentukan atau dihitung berdasarkan formula tertentu, yaitu:
BEP
(27)
Net Present Value
Dalam metode ini kita menggunakan faktor diskon. Semua pengeluaran
dan penerimaan (dimana saat pengeluaran serta penerimaannya adalah dalam
waktu yang tidak bersamaan) harus diperbandingkan dengan nilai yang sebanding
dalam arti waktu. Dalam hal ini berarti kita harus mendiskonkan nilai-nilai
pengeluaran dan penerimaan tersebut ke dalam penilaian yang sebanding (sama).
Pengeluaran dilakukanpada saat mula-mula (sekarang), sedangkan penerimaan
baru akan diperoleh di masa-masa yang akan datang, padahal nilai uang sekarang
adalah tidak sama (lebih tinggi) dari nilai uang dikemudian hari. Oleh karena itu,
Universitas Sumatera Utara
jumlah estimasi penerimaan itu harus didiskonkan, kita jadikan jumlah-jumlah
nilai saat ini (penilaian sebanding dengan pengeluarannya) (Husnan, 2000).
Net Present Value dari investasi dapat diperoleh dengan menggunakan
formula sebagai berikut.
CIF- COF
(28)
di mana:
CIF : Keuntungan Arus kas (Cash inflow )
COF : Biaya Arus Kas (Cash outflow)
Sementara itu keuntungan yang diharapkan dari investasi yang dilakukan
bertindak sebagai tingkat bunga modal dalam perhitungan:
Penerimaan (CIF) = pendapatan
Pengeluaran (COF) = investasi
, i, n
pembiayaan (
, i, n
, i, n
(29)
(30)
Kriteria nilai NPV sebagai berikut:
a. NPV > 0, proyek menguntungkan
b. NPV < 0, proyek tidak layak diusahakan
c. NPV = 0, berarti netral atau berada pada break even point (BEP).
(Giatman, 2006)
Internal Rate of Return
Internal rate of return adalah tingkat diskon (discount rate) yang
menjadikan sama antara present value dari penerimaan cash dan present value
dari nilai atau investasi tingkat diskon (discount rate) yang menunjukan net
present value atau sama besarnya dengan nol. Internal rate of return dapat dicari
dengan sistem coba-coba (trial and error) yaitu mencari NPV pada tingkat diskon
yang kita sukai. Apabila dengan discount rate yang kita pilih dihasilkan NPV
27
Universitas Sumatera Utara
28
positif (+), maka IRR yang akan dicari adalah di atas discount rate tersebut,
seterusnya kita cari dengan coba-coba sampai menemukan discount rate yang
menghasilkan NPV = 0 (nol). Tetapi internal rate of return dapat dicari dengan
rumus :
IRR
=
(31)
di mana:
= Suku bunga bank paling atraktif
= Suku bunga coba-coba
= NPV awal pada
= NPV pada
Universitas Sumatera Utara