Wahyudi, Djoko and Prof. Dr. Ir. Wignyanto, M.S. (2024) “Kajian Eksperimental Perpindahan Panas pada Bernoulli Distilation System (BDS) untuk Pemurnian Bioetanol Sorghum Stalk”. Doktor thesis, Universitas Brawijaya.
Abstract
Energi alternatif yang ramah lingkungan merupakan salah satu komponen yang sangat penting dikarenakan hampir setiap kegiatan manusia membutuhkan input energi seperti kegiatan distribusi, kegiatan mekanisasi, kegiatan industri dan kegiatan lainnya. Hal ini dikarenakan ketersediaan energi fosil di berbagai belahan dunia sudah mulai menipis dan diperkirakan akan habis dalam jangka waktu 25 tahun mendatang. Bioetanol yang diproduksi dari tanaman merupakan energi yang makin diperlukan dengan menipisnya deposit bahan bakar minyak asal fosil. Bioetanol dapat berasal dari bermacam-macam tumbuhan salah satu yang berpotensi adalah sorgum. Bioetanol sebelum dapat digunakan sebagai bahan bakar, proses pemisahan dan pemurnian etanol merupakan salah satu langkah penting yang harus dilalui. Salah satu teknologi yang digunakan pada tahap ini adalah dengan distilasi vakum, karena destilasi mampu memisahkan dua atau lebih komponen cairan berdasarkan perbedaan titik didihnya. Dalam proses distilasi, reaktor merupakan alat yang berperan sebagai tempat terjadinya suatu reaksi. Proses destilasi meliputi penguapan cairan tersebut dengan cara dipanaskan, dilanjutkan dengan kondensasi uapnya menjadi cairan dan biasa disebut destilat. Pada dasarnya proses ini merupakan proses perpindahan panas yang menyentuh fluida fermentor, sebagaimana prinsip kerja boiler untuk menghasilkan uap. Uap yang terpisah akibat pemanasan selanjutnya akan mengalami proses kondensasi pada tabung kondensor, perpindahan panas dengan metode konveksi antara fluida air yang menyentuh dinding pipa kondensor dengan uap bioetanol. Uap bioetanol yang masuk ke dalam kondenser dan mengalami kondensasi sehingga uap tersebut menyublim menjadi cair. Cairan yang dihasilkan merupakan cairan hasil pemurnian bioetanol dari sistem distilasi vakum. Penelitian Tahap I bertujuan: 1) menganalisis perpindahan panas konduksi pada dinding water jacket; 2) menganalisis perpindahan panas konduksi pada tangki reaktor; 3) menganalisis perpindahan panas konduksi pada dinding bawah tangki reaktor; 4) menganalisis perpindahan panas konveksi pada fluida reaktor. Tahap II bertujuan: 1) menganalisis perpindahan panas konveksi; 2) menganalisis laju aliran massa uap; 3) menganalisis kondensasi film. Tahap III bertujuan: 1) menganalisis aliran tak termampatkan; 2) menganalisis tekanan diffuser; 3) menganalisis entrainment ratio; 4) menganalisis efisiensi ejektor. Hasil penelitian tahap I diperoleh energi perpindahan panas konduksi pada dinding water jacket diketahui temperatur tertinggi pada dinding luar sebesar 72C pada waktu ke 5400 detik dan temperatur tertinggi pada dinding dalam sebesar 75,25C pada waktu ke 7200 detik, serta nilai energi perpindahan panas konduksi tertinggi terjadi pada waktu ke 7200 detik dengan nilai 14757,72 J. Laju energi perpindahan panas konduksi pada tangki reaktor selama 1800 detik sebesar 794,76 J/s, selama 3600 detik sebesar 1589,59 J/s, selama 5400 detik sebesar 2384 J/s dan selama 7200 detik sebesar 3179,10 J/s. Laju energi perpindahan panas konduksi pada dinding bawah tangki reaktor selama 1800 detik sebesar 729 J/s, selama 3600 detik sebesar 1458 J/s, selama 5400 detik sebesar 2187 J/s dan selama 7200 detik sebesar 2916 J/s. Laju energi perpindahan panas konveksi pada fluida reaktor selama 1800 detik sebesar 2,01 J/s, selama 3600 detik sebesar 4,02 J/s, selama 5400 detik sebesar 6,03 J/s dan selama 7200 detik sebesar 8,04 J/s. Hasil penelitian tahap II hasil pengujian dari bahan kadar Energi alternatif yang ramah lingkungan merupakan salah satu komponen yang sangat penting dikarenakan hampir setiap kegiatan manusia membutuhkan input energi seperti kegiatan distribusi, kegiatan mekanisasi, kegiatan industri dan kegiatan lainnya. Hal ini dikarenakan ketersediaan energi fosil di berbagai belahan dunia sudah mulai menipis dan diperkirakan akan habis dalam jangka waktu 25 tahun mendatang. Bioetanol yang diproduksi dari tanaman merupakan energi yang makin diperlukan dengan menipisnya deposit bahan bakar minyak asal fosil. Bioetanol dapat berasal dari bermacam-macam tumbuhan salah satu yang berpotensi adalah sorgum. Bioetanol sebelum dapat digunakan sebagai bahan bakar, proses pemisahan dan pemurnian etanol merupakan salah satu langkah penting yang harus dilalui. Salah satu teknologi yang digunakan pada tahap ini adalah dengan distilasi vakum, karena destilasi mampu memisahkan dua atau lebih komponen cairan berdasarkan perbedaan titik didihnya. Dalam proses distilasi, reaktor merupakan alat yang berperan sebagai tempat terjadinya suatu reaksi. Proses destilasi meliputi penguapan cairan tersebut dengan cara dipanaskan, dilanjutkan dengan kondensasi uapnya menjadi cairan dan biasa disebut destilat. Pada dasarnya proses ini merupakan proses perpindahan panas yang menyentuh fluida fermentor, sebagaimana prinsip kerja boiler untuk menghasilkan uap. Uap yang terpisah akibat pemanasan selanjutnya akan mengalami proses kondensasi pada tabung kondensor, perpindahan panas dengan metode konveksi antara fluida air yang menyentuh dinding pipa kondensor dengan uap bioetanol. Uap bioetanol yang masuk ke dalam kondenser dan mengalami kondensasi sehingga uap tersebut menyublim menjadi cair. Cairan yang dihasilkan merupakan cairan hasil pemurnian bioetanol dari sistem distilasi vakum. Penelitian Tahap I bertujuan: 1) menganalisis perpindahan panas konduksi pada dinding water jacket; 2) menganalisis perpindahan panas konduksi pada tangki reaktor; 3) menganalisis perpindahan panas konduksi pada dinding bawah tangki reaktor; 4) menganalisis perpindahan panas konveksi pada fluida reaktor. Tahap II bertujuan: 1) menganalisis perpindahan panas konveksi; 2) menganalisis laju aliran massa uap; 3) menganalisis kondensasi film. Tahap III bertujuan: 1) menganalisis aliran tak termampatkan; 2) menganalisis tekanan diffuser; 3) menganalisis entrainment ratio; 4) menganalisis efisiensi ejektor. Hasil penelitian tahap I diperoleh energi perpindahan panas konduksi pada dinding water jacket diketahui temperatur tertinggi pada dinding luar sebesar 72C pada waktu ke 5400 detik dan temperatur tertinggi pada dinding dalam sebesar 75,25C pada waktu ke 7200 detik, serta nilai energi perpindahan panas konduksi tertinggi terjadi pada waktu ke 7200 detik dengan nilai 14757,72 J. Laju energi perpindahan panas konduksi pada tangki reaktor selama 1800 detik sebesar 794,76 J/s, selama 3600 detik sebesar 1589,59 J/s, selama 5400 detik sebesar 2384 J/s dan selama 7200 detik sebesar 3179,10 J/s. Laju energi perpindahan panas konduksi pada dinding bawah tangki reaktor selama 1800 detik sebesar 729 J/s, selama 3600 detik sebesar 1458 J/s, selama 5400 detik sebesar 2187 J/s dan selama 7200 detik sebesar 2916 J/s. Laju energi perpindahan panas konveksi pada fluida reaktor selama 1800 detik sebesar 2,01 J/s, selama 3600 detik sebesar 4,02 J/s, selama 5400 detik sebesar 6,03 J/s dan selama 7200 detik sebesar 8,04 J/s. Hasil penelitian tahap II hasil pengujian dari bahan kadar bioetanol 50,8% diketahui persentase massa uap terkondensasi tertinggi sebesar 21% pada waktu ke 5400 detik dengan laju aliran massa uap kondensat sebesar 0,019 kg/s dan nilai massa uap kondensat film sebesar 0,004 kg/s, sedangkan hasil pengujian dari bahan kadar bioetanol 30% diketahui persentase massa uap terkondensasi tertinggi sebesar 31,5% pada waktu ke 3600 detik dengan laju aliran massa uap kondensat sebesar 0,018 kg/s dan nilai massa uap kondensat film sebesar 0,00567 kg/s. Dan hasil penelitian tahap III diperoleh efisiensi kinerja pada water ejektor adalah rasio antara kerja aktual yang dihasilkan oleh ejektor dengan kerja teoretis maksimum yang dapat dicapai oleh ejector dalam kondisi yang ideal. Dalam hal ini, nilai efisiensi kinerja water ejektor sebesar 90.656% berarti bahwa ejektor mampu menghasilkan sekitar 90.656% dari kerja maksimum teoretis yang dapat dicapai dalam kondisi ideal. Sedangkan pada pengujian kedua diketahui nilai efisiensi kinerja water ejektor sebesar 65,4 % berarti bahwa ejektor mampu menghasilkan sekitar 65,4 % dari kerja maksimum teoretis yang dapat dicapai dalam kondisi ideal. Efisiensi kinerja yang tinggi pada ejektor sangat penting untuk memastikan kinerja yang efektif dan efisien dalam menghisap gas atau uap dari ruang sekitarnya. Semakin tinggi nilai efisiensi kinerja, semakin besar kemampuan ejektor untuk menghasilkan kerja yang maksimal dan efektif. Produk bioetanol yang dihasilkan proses pemurnian diketahui karakteristik sifat fisik bioetanol. Pengujian pertama dengan bahan kadar bioetanol 50,8% diperoleh nilai kalor sebesar 2358,44 cal/gram, viskositas sebesar 1,06, titik nyala 27C dan densitas sebesar 0,905 g/cm3. Pengujian kedua dengan bahan kadar bioetanol 30% diperoleh nilai kalor sebesar 1389,48 cal/gram, viskositas sebesar 1,02, titik nyala 32,5C dan densitas sebesar 0,934 g/cm3.
English Abstract
Environmentally friendly alternative energy is one of the most important energy source components since almost every human activity requires energy inputs such as distribution activities, mechanization activities, industrial activities, and others. This is because the availability of fossil energy in various parts of the world is starting to decline. Fossil energy is also estimated to be depleted within the next 25 years. Bioethanol produced from plants would be a necessary energy source by the depletion of fossil fuel deposits. Bioethanol could be derived from various plants, one of which is the potential crop of sorghum. Before being used as a fuel, the separation and purification process of ethanol were two important steps that must be taken. One of the technologies used in this phase is vacuum distillation, as distillation can separate two or more liquid components based on their boiling points. In the distillation process, the reactor plays a role as a place for a reaction to occur. The distillation process involves the evaporation of the liquid by heating it, followed by the condensation of the vapor into a liquid, commonly referred to as the distillate. Essentially, this process is a heat transfer process that involves the fluid in the fermentor, similar to the working principle of a boiler to produce steam. The separated steam resulting from heating will then undergo a condensation process in the condenser tube, where heat transfer by convection occurs between the fluid of water that touches the pipe wall of the condenser with the bioethanol vapor. The bioethanol vapor that enters the condenser undergoes condensation so that the vapor sublimates into a liquid. The resulting liquid is the purified bioethanol liquid from the vacuum distillation system. Phase I research aims to: 1) analyze conduction heat transfer in the water jacket wall; 2) analyze conduction heat transfer in the reactor tank; 3) analyze conduction heat transfer on the bottom wall of the reactor tank; 4) analyze convection heat transfer in the reactor fluid. Stage II aims to: 1) analyze convection heat transfer; 2) analyze the steam mass flow rate; 3) analyze film condensation. Stage III aims to: 1) analyze incompressible flow; 2) analyze the diffuser pressure; 3) analyze the entrainment ratio; 4) analyze ejector efficiency. The results of the first phase of research obtained that the conduction heat transfer energy on the water jacket walls showed that the highest temperature on the outer wall was 72C at the 5400 second time and the highest temperature on the inner wall was 75.25C at the 7200 second time, as well as the value of the transfer energy The highest conduction heat occurred at 7200 seconds with a value of 14757.72 J. The rate of conduction heat transfer energy in the reactor tank for 1800 seconds was 794.76 J/s, for 3600 seconds was 1589.59 J/s, for 5400 seconds was 2384 J/s and for 7200 seconds it is 3179.10 J/s. The rate of conduction heat transfer energy on the bottom wall of the reactor tank for 1800 seconds was 729 J/s, for 3600 seconds it was 1458 J/s, for 5400 seconds it was 2187 J/s and for 7200 seconds it was 2916 J/s. The rate of convection heat transfer energy in the reactor fluid for 1800 seconds was 2.01 J/s, for 3600 seconds it was 4.02 J/s, for 5400 seconds it was 6.03 J/s and for 7200 seconds it was 8.04 J/s s. The results of the phase II research, the test results of the 50.8% bioethanol content material, showed that the highest mass percentage of condensed steam was 21% at 5400 seconds with a condensate steam mass flow rate of 0.019 kg/sand a film condensate steam mass value of 0.004 kg/s. While the test results of 30% bioethanol content material showed that the highest mass percentage of condensed vapor was 31.5% at 3600 seconds with a condensate vapor mass flow rate of 0.018 kg/s and a film condensate vapor mass value of 0.00567 kg/s . And the results of phase III research showed that the performance efficiency of the water ejector is the ratio between the actual work produced by the ejector and the maximum theoretical work that can be achieved by the ejector under ideal conditions. In this case, the water ejector performance efficiency value of 90.656% means that the ejector is capable of producing around 90.656% of the theoretical maximum work that can be achieved under ideal conditions. Meanwhile, in the second test, it was discovered that the water ejector performance efficiency value was 65.4%, meaning that the ejector was able to produce around 65.4% of the theoretical maximum work that could be achieved under ideal conditions. High performance efficiency in the ejector is very important to ensure effective and efficient performance in sucking gas or vapor from the surrounding space. The higher the performance efficiency value, the greater the ejector's ability to produce maximum and effective work. The bioethanol product produced by the purification process is known to have the physical characteristics of bioethanol. The first test with 50.8% bioethanol content obtained a heating value of 2358.44 cal/gram, a viscosity of 1.06, a flash point of 27C and a density of 0.905 g/cm3. The second test with 30% bioethanol content obtained a heating value of 1389.48 cal/gram, a viscosity of 1.02, a 3.
| Item Type: | Thesis (Doktor) |
|---|---|
| Identification Number: | 062410 |
| Uncontrolled Keywords: | Energi Alternatif, Bioetanol Sorgum, Distilasi Vakum, Reaktor, Kondensor, Ejektor |
| Divisions: | S2/S3 > Doktor Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian |
| Depositing User: | Unnamed user with username nova |
| Date Deposited: | 06 Sep 2024 05:12 |
| Last Modified: | 06 Sep 2024 05:12 |
| URI: | http://repository.ub.ac.id/id/eprint/229818 |
![[thumbnail of DALAM MASA EMBARGO]](http://repository.ub.ac.id/style/images/fileicons/text.png) |
Text (DALAM MASA EMBARGO)
Djoko Wahyudi.pdf Restricted to Registered users only Download (4MB) |
Actions (login required)
 |
View Item |