Evaluasi Efisiensi Energi Pengering Multisilinder pada Mesin Kertas untuk Produksi Kertas...  :  Trismawati

## Evaluasi EfisiEnsi EnErgi PEngEring MultisilindEr Pada MEsin KErtas untuK ProduKsi KErtas tulis-CEtaK graMatur rEndah
trismawati Fakultas Teknik Universitas Panca Marga, Pabean Dringu Probolinggo trisma.saja@yahoo.com
Diterima : 22 Agustus 2013, Revisi akhir : 28 November 2013, Disetujui terbit : 02 Desember 2013

## THE EVALUATION OF MULTICYLINDER DRYER ENERGY EFFICIENCY ON PAPER MACHINE FOR THE PRODUCTION OF PRINTED PAPER WITH LOW GRAMMAGE

## AbsTRACT
Paper machine has been designed for special purposes in accordance with the fiber characteristic used  as  the  raw  material,  fiber  development  needed,  and  the fiber  network  developed  so  that  the incremental water content reduction  in the paper web from the inlet point of cylindrical dryer up to the outlet point of cylindrical dryer optimum. In industrial application, the paper machine designed for basis weight 60 gsm and virgin pulp as the raw material is often used for 45 gsm productions with virgin and recycled fiber as the raw material because of the paper demand. In this research the cylindrical dryer performance was observed when used for 45 gsm writing and printing paper production and their ability to dry the paper up to the design speed was simulated. Hopefully the result will able to give a contribution for energy efficiency so that the reduction of contribution margin can be anticipated.
Keywords: cylindrical dryer, designed speed, energy efficiency, contribution margin.

## abstraK
Mesin kertas telah dirancang sesuai peruntukannya khususnya menyesuaikan dengan karakteristik serat yang digunakan sebagai bahan baku, pengembangan serat yang diinginkan dan jaringan serat yang terbentuk. Hal ini agar pengurangan kadar air yang terjadi secara bertahap dari pengering silinder ujung awal sampai ujung akhir dapat berjalan optimal. Dalam aplikasi industri sering dilakukan penyimpangan seperti mesin kertas yang dirancang untuk untuk memproduksi kertas tulis cetak 60 gsm bahan baku virgin digunakan untuk memproduksi kertas tulis cetak 45 gsm berbahan baku virgin maupun kertas daur-ulang berdasarkan permintaan pasar. Dalam penelitian ini diamati kajian kinerja pengering silinder mesin kertas saat pengeringan produk kertas tulis cetak 45 gsm dan simulasi kemampuan pengeringan pengering silinder tersebut sampai batas kecepatan rancangan mesin kertas. Hasil diharapkan dapat memberikan kontribusi terhadap efisiensi energi, sehingga langkah antisipasi terhadap kemungkinan penurunan kontribusi keuntungan dapat dilakukan.
Kata kunci: pengering silinder, kecepatan rancangan, efisiensi energi, kontribusi keuntungan

## PEndahuluan
Dalam dunia industri peluang dan kondisi pasar  yang  fluktuatif  merupakan  tantangan. Produsen diharuskan mampu mensiasati berbagai kondisi yang ada dengan meminimalkan modal investasi  yang  diperlukan  untuk  memodifikasi
peralatan yang ada jika ingin dapat melayani pasar. Fluktuasi kecenderungan produksi pulp dan kertas serta tisu, perusakan lingkungan yang disebabkan oleh industri berbahan baku kayu hasil hutan mengharuskan produsen selektif  dalam  menentukan  langkah  bisnisnya. Permintaan kertas tulis cetak secara global cukup
baik, ditunjang oleh permintaan pasar yang tumbuh di negara berkembang (CAGR 2,2% dan 3,1%) untuk kertas tulis cetak tanpa salut maupun dengan salut (Jako Poyry, 2012).
Biaya produksi tinggi umumnya dikarenakan tidak  adanya  efisiensi  dalam  proses  produksi, seperti  rasio  hari  operasi  efektif  terhadap  hari operasi produksi masih rendah (HOE/HOP rendah). Rugi waktu tinggi akan berdampak langsung ke pemakaian bahan baku dan bahan penolong tinggi. Dampak langsungnya adalah konsumsi energi per satuan produk tinggi. Konsumsi energi beberapa mesin kertas sangat bervariasi tergantung dari banyak faktor. Faktor kelancaran mesin sangat dipengaruhi hasil pengembangan  serat.  Sifat  kekuatan  lembaran kertas basah yang dihasilkan menentukan tingkat konsumsi energi per satuan berat kertas, baik energi listrik (kWh/ton kertas) maupun energi panas uap (GJ/ton kertas). Dalam industri pulp dan kertas, praktek terbaik dunia ( world best practice) untuk konsumsi energi selalu didasarkan pada bahan baku yang berasal dari kayu, sehingga nilai ini tidak dapat diterapkan untuk produk yang berbahan baku non kayu. Sumber informasi tentang praktek terbaik industri kertas berbahan baku non kayu sangat langka (Worrell dkk., 2008).
Konsumsi energi mesin kertas secara garis besar tergantung dari kualitas pulp yang digunakan dan kualitas produk/spesifikasi kertas yang diproduksi. Karakteristik pulp dan jenis kertas sangat beragam, sehingga mempengaruhi tingkat konsumsi energi yang ada (Weineisen, 2000). Dengan demikian dalam membandingkan konsumsi energi proses produksi kertas harus dilihat secara menyeluruh terkait bahan baku yang digunakan, komposisi  dan perlakuan terhadap serat selama pengembangan serat dan
konsolidasi serat dilakukan. Data dalam Tabel 1 dibawah adalah hasil pengamatan pada industri pulp dan kertas di Negara Canada. Pengeringan merupakan salah satu bagian di mesin kertas yang mengkonsumsi energi cukup tinggi. Banyaknya air bebas dan air yang terikat secara molekuler kepada struktur serat akan menentukan perilaku pengurangan kadar air secara mekanis maupun termal (Weineisen, 2000). Parameter utama yang menentukan struktur kertas yang berpori adalah porositas, luas  permukaan  spesifik,  ukuran  pori,  distribusi ukuran pori, dan permeabilitas (Weineisen, 2000). Sedangkan parameter yang menentukan transfer massa air dalam struktur kertas adalah daya ikat serat terhadap air, dinyatakan sebagai water retention  value  (WRV) yang diakibatkan oleh pengembangan serat selama proses refining (Wikanaji, 2003). Kertas adalah media berpori yang sangat komplek, tersusun dari campuran serat dan bahan pengisi. Struktur kertas dipengaruhi oleh bahan baku yang digunakan seperti, spesies kayu dan proses pembuatan dan pemutihan pulp yang digunakan, teknik pembentukan lembaran kertas  yang digunakan, serta jenis dan banyaknya bahan pengisi yang digunakan. Ukuran dan distribusi ukuran lubang (porositas) kertas bervariasi dari celah antar serat yang relatif besar sampai ukuran molekuler. Dengan demikian porositas kertas juga berpengaruh terhadap proses pengeringan (Keranen, 2011). Pemilihan bahan baku dan derajat giling yang digunakan sangat berpengaruh terhadap karakteristik proses pengeringan dan sifat fisik kertas yang dihasilkan (Zhang dkk. , 2005).
Secara  skematik  faktor  yang  mempengaruhi pengeringan kertas dapat digambarkan pada Gambar 1 (Keranen, 2011). Penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi kinerja bagian
Tabel 1. Ringkasan Praktek Terbaik Dunia Pemakaian Energi Mesin Kertas
Bahan Baku Produk Proses Pemakaian bahan bakar untuk steam Pemakaian listrik Total GJ/Adt kgce/ADt kWh/ADt GJ/Adt kgce/ADt Pulp Uncoated Fine (wood free) Paper Machine 6,7 229 640 9,0 307 Uncoated Fine (wood free) Paper Machine 7,5 256 810 10,4 355 Newsprint Paper Machine 5,1 174 570 7,2 244 Board Paper Machine 6,7 229 800 9,6 327 Kraftliner Paper Machine 5,9 201 535 7,8 267 Tissue Paper Machine 6,9 235 1000 10.5 358
(Sumber: Worrel dkk., 2008) Keterangan: kgce = kilogram coal equivalent.
Evaluasi Efisiensi Energi Pengering Multisilinder pada Mesin Kertas untuk Produksi Kertas...  :  Trismawati
pengeringan ( dryer section ) pada mesin kertas yang memproduksi kertas dengan gramatur rendah.

## bahan dan MEtodE
Penelitian  ini  difokuskan  pada  upaya mendapatkan potensi kemampuan dryer untuk meningkatkan produktivitas mesin kertas. Pengamatan dilakukan pada Mesin Kertas 5 di salah satu pabrik kertas di Jawa Timur saat mengerjakan kertas tulis cetak gramatur rendah 45 gsm. Pengamatan suhu di tiap silinder pengering dilakukan dengan thermo hunter RayTech . Data operasional yang dapat diambil adalah laju produksi ( throughput ), tekanan uap pada masing-masing kelompok silinder, kadar air lembar kertas basah keluar unit pengepresan dan kadar air produk kertas. Saat terjadi putus lembaran dilakukan pengambilan sampel kertas untuk dilakukan pemeriksaan silang kadar air. Perubahan kadar kering kertas saat mengalami proses pengeringan mulai titik masuk pengering sampai reel dihitung berdasar data pengamatan yang berhubungan dengan operasional proses produksi. Dari data yang ada kemudian dilakukan simulasi kemampuan pengering saat kecepatan mesin kertas ditingkatkan. Perlakuan refining dan pengepresan menjadi batasan masalah sehingga kadar air kertas basah masuk pengering dianggap sama 62% dan kadar air produk kertas 6% adalah tetap.
Data penunjang: Bahan baku kertas adalah LBKP 100%, bahan pengisi yang diumpankan adalah GCC dalam bentuk lumpur dengan kadar padatan 65%. Lebar kertas di reel 6,3 m, lebar kertas basah 6,5 m dihitung dari lebar wire 6,9 m dikurangi trim deckle . Kecepatan mesin 600 mpm
Drying of Paper Paper Structure Fibre Water Interactions Mass Transfer in a Paper Sheet Capillary Flow Porosity Thermodynamics of Water Cylinder Paper Movement of Bound Water Shrinkage Moisture in Paper Paper Air Vapour Flow
Sorption Adsorption Desorption
Fabric Transfer Coefficient at The Surfaces

## (Sumber: Keranen, 2011)
Gambar 1. Faktor Berpengaruh terhadap Proses Pengeringan Kertas.
dengan kecepatan terdisain 800 mpm dan balancing speed 900 mpm. Laju produksi mesin kertas 10,2 ton/jam. Konsumsi listrik 940 kWh/ton dan uap 2,8 ton uap/ton kertas (≈ 6 GJ/AD ton) sesuai prosedur operasi standar. Kadar air kertas hasil pemeriksaan 3,8 – 4,0%. Jarak tarikan antar pengering silinder 1,5 m dan humiditas udara di dalam hood 0,21 kg air/kg udara kering. Data sekunder dari pustaka: massa jenis serat selulosa 1500 kg/m 3 ,  kapasitas  panas  spesifik  selulosa 0,37 kal/g o C, kapasitas panas spesifik serat LBKP dianggap sama dengan selulosa 0,37 kal/g o C dan data sifat fisik udara.
Pada pengeringan kertas di mesin kertas air akan teruapkan. Laju penguapan dari lembar kertas basah ke udara didalam dryerhood digambarkan dengan persamaan Stefan (Persamaan 2)  (Karlsson, 2000).
Dengan β koefisien transfer massa, p tot tekanan total, p vp0 tekanan parsial uap di permukaan kertas, p va tekanan parsial uap didalam dryerhood , A luas permukaan kertas, R konstanta gas dan T suhu. Pada kondisi aliran turbulen (kondisi umum di dryer hood ), persamaan (2) dapat disederhanakan menjadi Persamaan 3 (Berg, 1999).
Neraca panas dihitung dengan menggunakan Persamaan 4. Dengan m, c, T dan h adalah massa, kapasitas panas, suhu dan entalpi; sementara
indek p , w , s , u , vap , liq , i , ou dan ref menunjukkan kertas, air, uap, udara, fasa uap, fasa air, kondisi masuk dan keluar, serta referensi.

## hasil dan PEMbahasan
Konfigurasi  pengering  silinder  ditunjukkan pada Gambar 2, dengan demikian tekanan uap pada masing-masing kelompok silinder dapat diatur menyesuaikan kondisi operasional. Dari hasil perhitungan diperoleh neraca massa keseluruhan sebagaimana pada Gambar 2. Hasil neraca massa diatas digunakan untuk dasar perhitungan kadar kering kertas secara bertahap saat melewati pengering silinder. Untuk simulasi peningkatan kapasitas mesin dilakukan perhitungan serupa.
Hasil simulasi pengeringan di bagian pengering untuk kecepatan 600 dan 800 mpm disajikan pada Gambar 3 dan Gambar 4. Gambar 3 disajikan kinerja bagian pengering mesin kertas saat produksi HVS 45 gsm. Terlihat bahwa lembaran kertas sudah kering (kadar air 6%) saat kertas melewati silinder pengering nomor 36. Pengering nomor 1 sampai 22 melaksanakan pemanasan awal menuju ke titik optimal, pengering nomor 23 – 41, kemampuan optimal menguapkan air 754 kg/jam sedangkan pengering nomor 42 berfungsi sebagai pendingin sehingga laju penguapan air turun menjadi 509 kg/jam. Untuk itu pengering nomor 37 sampai dengan nomor  41  tidak  berfungsi  untuk  proses
Dryer 1 Dryer 3,5 Dryer
7,8 Dryer 2,4,6,9-17
Dryer 18-43 22 ton/jam Udara 50Kg/J
Uap Air = 15 T/J
Suhu Hood 60 o C Kertas : 9.6 BDT/J Kondensat Total : 19.9 T/J Tiap Silinder : 0.76 T/J Steam
Total : 19.9 T/J Tiap Silinder : 0.76 T/J Asumsi : Laju Steam=Laju Kondensat Moist : 0.6 BDT/J 10.2 ADT/J Kertas : 9.6 BDT/J Air : 15.6 ADT/J 25.2 BDT/J
Gambar 2. Neraca Massa dan Konfigurasi Jalur Uap di Bagian Pengering
pengeringan. Energi panas dari uap terbuang karena  tidak  dimanfaatkan  untuk  pengeringan, bahkan kertas menjadi kering berlebih. Kadar air kertas yang teramati 3,8% berasal dari adsorpsi uap air dari udara sekitar sesudah keluar dari mesin kertas.
Pada Gambar 3 juga nampak bahwa secara bertahap mulai silinder  pengering nomor 7 laju penguapan air naik dengan pesat mulai > 50 kg/jam menuju > 746 kg/jam saat mencapai silinder pengering nomor 22 dan seterusnya konstan 754 kg/jam sampai silinder pengering nomor 41 dan 509 kg/jam pada pengering nomor 42 (silinder pendingin). Pada kondisi ini tingkat pemakaian energi listrik sebesar 940 kWh/ADt dan uap 2,8 t/t (≈  6  GJ/ADt),  tingkat  konsumsi  yang  masih boros. Jika dianggap kondisi ideal dapat dicapai yaitu kelancaran mesin kertas identik dan throughput diasumsikan proporsional terhadap kecepatan mesin, maka perolehan produksi kertas dapat mencapai 13,6 ton/produksi kertas atau naik 4,3 ton/jam dari perolehan sebelumnya 10,2 ton/jam, dan tingkat konsumsi energi adalah tetap. Pada proses ini, konsumsi listrik adalah 705 kWh/t dan konsumsi uap 2,1  ton/ton  kertas  (≈  4,5  GJ/ADt),  merupakan tingkat  konsumsi  energi  yang  effisien.  Nilai tersebut setara dengan hasil evaluasi oleh Riyanto (2007) menyatakan bahwa konsumsi steam di mesin kertas pabrik kertas dengan gramatur rendah (< 60 gsm) adalah 1,8 t/ton kertas (4 GJ/ADt)
Evaluasi Efisiensi Energi Pengering Multisilinder pada Mesin Kertas untuk Produksi Kertas...  :  Trismawati
dan konsumsi listrik 550 – 600 kWh/ton kertas. Pabrik kertas tersebut menggunakan bahan baku NBKP Keinleith 6 – 10%, LBKP Acacia dan MHW 70%, broke 10%, dan kadar abu 20 – 25%, memiliki maksimal rugi waktu putus lembaran 10 menit/hari dengan total pemeliharaan terencana dan tidak terencana 25 jam per bulan. Sedangkan di Kanada, konsumsi uap di mesin kertas berkisar antara 5,1 – 7,5 GJ/ADt.
Gambar 4 menunjukkan hasil simulasi pengeringan di mesin kertas dengan asumsi kinerja mesin secara keseluruhan sama. Pengering masih mampu untuk mengeringkan kertas HVS 45 gsm pada saat kecepatan mesin dinaikkan menjadi 800 mpm. Pada pengering nomor 41 kertas sudah kering dengan kadar air 9% dan
saat melewati pendingin (pengering nomor 42) kadar air mencapai 6% (sesuai target). Sebuah potensi sangat besar yang dapat diperoleh dengan memanfaatkan  kapasitas  pengering,  apalagi jika optimasi pengurangan kadar air di bagian pengepresan juga dapat dilakukan. Pada tingkat kelancaran mesin sama dan biaya energi sama, mesin kertas yang semula hanya mampu memproduksi kertas 10,2 t/jam meningkat menjadi 13,6 t/jam (ada peningkatan produktivitas 33,3%). Artinya ada penurunan biaya energi per ton produk dari Rp x,-/10,2 ton menjadi Rp x,-/13,6 ton atau setara penurunan biaya energi 25%.

## KEsiMPulan
Kertas hasil produksi terlalu kering dengan kadar kering melebihi target. Ditinjau dari pemanfaatan  kapasitas  pengering,  operasional mesin kertas belum efisien. Kapasitas pengering yang belum termanfaatkan masih sangat besar dan ada potensi menurunkan biaya energi per satuan produk sekitar 25%. Kendala operasional lain terkait rendahnya produktivitas perlu dikaji lebih jauh terutama untuk meningkatkan pendapatan perusahaan.

## saran
Perlu dilakukan penelitian lebih mendalam karena potensi kapasitas mesin kertas tidak hanya ditentukan oleh kapasitas drier, tetapi lost time yang disebabkan paper break dan kerusakan mesin juga mempengaruhi produktivitas secara menyeluruh. Dampak optimasi pengurangan kadar air di bagian pengepresan terhadap kemampuan pencapaian kadar kering pada target throughput juga perlu diperhitungkan.

## daftar PustaKa
Berg,  C.G.  1999.  “Heat  and  mass  transfer in turbulent moist air drying processes: experimental and theoretical work” .
Doctoral Thesis . Åbo Akademis Förlag. Worrell, E.,  Price, L., Neelis, M.,  Galitsky, C., Zhou, N. 2008. World Best Practice Energy Intensity  Values  for  Selected  Industrial Sectors. Environmental Energy Technologies Division. Ernest Orlando Lawrence – Berkeley National Laboratory.
Kinerja Pengering untuk HVS 45 gsm pada Kecepatan 600 mpm Fraksi Kadar Kering Kertas Laju Penguapan (kg/J) Cylinder Dryer No                                Gb. 3 0       7      14     21      28      35     42 Δ Fraksi Kadar Kering Kertas Δ Laju Penguapan
800 700 600 500 400 300 200 100 0 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 753,75
Gambar 3. Laju Penguapan dan Kadar Kering Kertas pada Kecepatan Mesin 600 mpm (Kadar
Air 3,8 – 4,0%).
Kinerja Pengering untuk HVS 45 gsm pada Kecepatan 800 mpm
Fraksi Kadar Kering Kertas
Laju Penguapan (kg/J) Cylinder Dryer No                                Gb. 4 0       7      14     21      28      35     42 Δ Fraksi Kadar Kering Kertas Δ Laju Penguapan
800 700 600 500 400 300 200 100 0 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00
Gambar 4. Laju Penguapan dan Kadar Kering Kertas pada Kecepatan Mesin 800 mpm (Simulasi dengan Target Kadar Air Maksimal 6.0 %).
Weineisen, Henrik. 2003. Through Drying of Paper - A Literature Review Arbetsrapport SGC  A40. Department  of  Chemical Engineering - Lund Institute of Technology, Sweden.
Jaakko Poyry, 2012, Market Analysis –  Report , Department for International Development.
Karlsson. M., 2000. Papermaking  Science  and Technology:  Part  2,  Drying.  Papermaking. Book 9. Fapet. ISBN 9525216004
Keranen, J.. 2011. Increasing the Drying
Efficiency  of  Cylinder  Drying. Academic Dissertation  For  the  Degree  of  Doctor of  Philosophy,  Department  of  Physics University of Jyväskylä, Finland.
Riyanto, S., 2007. Laporan  Studi  Banding  ke Pabrik Kertas Tjiwi Kimia. Probolinggo.
Wikanaji, D., 2003. The Combination of LC and  HC  Refining  Process  to Achieve  Fiber Development . UPM Kymmene, Finland. Zhang, G.,  Janne, K.,  Kaarlo, N. 2005. Effect of  drying  condition  on  the  mechanical properties of paper. Paperi ja Puu / Pulp and Timber. Vol. 86 No: 3, 164 – 168.