Cecep Isnandar S (101611070)
*SISTEM
KRIOGENIK

SISTEM
KRIOGENIK
CARA KERJA SISTEM
KRIOGENIK
GAMBAR’’
KRIOGENIK
CONTOH SOAL

Pembekuan adalah salah satu cara untuk mengawetkan produk
pertanian atau produk pangan dan produk-produk lainnya untuk
selang waktu relatif lama sebelum dikonsumsi. Pada umumnya
pembekuan produk pangan menggunakan teknologi pembekuan
(refrigerant) konvensional berbahan pendingin amonia atau di
masa lalu menggunakan freon-CFC (chloroflurocarbon) yang
ternyata terbukti menjadi gas-gas penyebab kerusakan ozon.
Teknologi pembekuan seperti ini juga telah ditemukan memiliki
kelemahan karena tingkat pendinginan yang kurang rendah
suhunya dan relatif tidak stabil sehingga tidak menjamin
keawetan produk pangan yang dibekukan
*

Pada penggunaan ammonia sebagai bahan pendingin, suhu
terdingin yang dapat dicapai untuk refrigeran produk pangan
yaitu antara -1ºC sampai dengan -46 ºC. Akan tetapi tidak semua
produk pertanian terutama sayuran dan buah-buahan dapat
dibekukan dengan mesin refrigerasi konvensional yang
memberikan kecepatan pembekuan yang rendah karena jika
produk semacam itu berada dalam ruang berisi udara dingin yang
kering dalam waktu lama, maka air dalam sel-sel akan terdifusi
keluar. Akibatnya, bobot produk berkurang demikian pula nilai
ekonominya.

Kriogenik (cryogenic) merupakan salah satu teknologi
pembekuan yang sebetulnya bukan tergolong ide yang baru.
Metode pembekuan pada teknologi ini menggunakan gas yang
dimanfaatkan menjadi cairan (liquid) misalnya nitrogen (N2)
dan karbon dioksida (CO2). Nitrogen cair sebagaimana telah
diketahui sejak lama, dipergunakan sebagai pembeku bahan-
bahan organik untuk keperluan penyimpanan dan ekstraksi
bahan-bahan penelitian bidang biologi terapan. Karbon dioksida
cair pun telah sejak lama dipergunakan untuk pengisi tabung
pemadam kebakaran.

Nitrogen cair memiliki titik didih pada suhu -195,8 derajat ºC,
sedangkan karbon dioksida cair -57 ºC. Pada suhu yang lebih
tinggi dari suhu tersebut, nitrogen dan karbon dioksida akan
berbentuk gas volatil, sehingga umumnya nitrogen cair dan
karbon dioksida cair berada pada suhu lebih rendah daripada titik
didihnya. Dengan suhu yang sedemikian dingin, baik nitrogen
cair maupun karbon dioksida cair mempunyai kemampuan
membekukan bahan organik yang relatif lebih efektif daripada
pendingin berbahan amonia ataupun freon. Suntory, sebuah
perusahaan minuman di Jepang mengunakan metode cryogenic
ini sebagai metode baru untuk produksi minuman sehingga
kualitas kesegaran minuman terjaga. Dalam kondisi suhu -195 ºC
buah dihancurkan menjadi tepung kemudian dibuat minuman.

Proses pembekuan cepat dilakukan dengan cara menyemprotkan
cairan kriogenik, dalam hal ini nitrogen cair, ke produk yang
diletakkan di rak dalam lemari pembeku. Produk dapat dibekukan
pada suhu – 200⁰ C atau – 400⁰ C dalam waktu singkat dan
dengan pemakaian nitrogen cair yang optimum. Dengan
kecepatan pendinginan yang tinggi dan waktu pembekuan yang
relatif singkat, maka proses difusi uap air dari sel dapat dikurangi
dan produk tidak banyak mengalami susut bobot. Hasil pengujian
menunjukkan bahwa lemari dapat berfungsi dengan baik dan
dapat membekukan produk dalam waktu relatif singkat sesuai
dengan yang diharapkan. Mikroba pada produk yang dibekukan
dengan nitrogen cair dan disimpan dalam lemari pendingin, jika
semakin lama produk beku disimpan dalam lemari pendingin
semakin sedikit jumlah sel mikroba.

Sistem refrigerasi kriogenik sebenarnya hampir mirip dengan
kompresi uap hanya saja kompresornya sampai 200 bar, dan
dipasang secara seri. Untuk menghasilkan udara cair dalam
jumlah yang besar sehingga dapat dihasilkan CO₂, cair, O₂,
Nitrogen, DLL.
Kegunaan udara cair namun udara cair juga memiliki sifat’’ yang
merugikan / berbahaya.

Di negara-negara maju, studi mengenai aplikasi teknologi
kriogenik untuk pembekuan produk pangan telah dimulai sejak
dekade 1990-an. Beberapa kelebihan teknologi kriogenik untuk
pembekuan produk pangan dibandingkan teknologi pembekuan
konvensional telah ditemukan, seperti :
*1) teknologi kriogenik mempunyai kemampuan mencegah
rusaknya adenosintrifosfat (ATP) pada produk pangan laut
segar selama periode penyimpanan.
*2) mampu mempercepat pembekuan produk pangan seperti
daging dan telur.
*3) menghambat pertumbuhan mikroorganisme perusak produk
pangan lebih baik.
*4) mencegah rusaknya nutrisi produk pangan lebih baik.

Pada saat ini studi mengenai aplikasi teknologi kriogenik untuk
pembekuan produk pangan lebih diarahkan pada perancangan
kontainer atau jaket pendingin, mengingat gas cair seperti
nitrogen cair dianggap terlalu berbahaya untuk dibawa seenaknya
dalam transportasi produk pangan. Dan yang paling mutakhir saat
ini yaitu upaya menggunakan teknologi nano material dalam
rangka mencari bahan terbaik untuk digunakan sebagai kontainer
atau jaket pendingin kriogenik termasuk pipa vakum
kriogeniknya.

Peralatan Utama Pada System Kriogenik atau Peralatan
utama pada system pencairan dan pendinginan pada
suhu rendah( suhu minimum ) umumnya terdiri dari :
* heat exchanger
* kompresor
* expander

- gambar plat fin heat exchanger

Heat Exchanger Beberapa syarat utama heat exchanger untuk
aplikasi suhu rendah diantaranya :
*1. perbedaan suhu aliran panas dan dingin yang kecil untuk
meningkatkan efisiensi
*2. perbandingan luas permukaan terhadapa volume yang
besar untuk meminimalkan kebocoran
*3. perpindahan panas yang tinggi untuk mengurangi luas
permukaan
*4. masa yang rendah untuk meminimalkan waktu star up
*5. kemampuan menerima tekanan yang tinggi Jenis-jenis
heat exchanger yang digunakan adalah :
1. heat exchanger tabung konsentrik dan tipe Collins
2. coiled tube heat exchanger
3. plate- fin heat exchanger

*Kompresor berfungsi sebagai alat untuk mengkompresi fluida
kriogenik. Tiga jenis utama kompresor yag sering digunakan adalah:
1. kompresor reciprocating
2. Kompresor sentrifugal
3. Kompresor screw

1). Kompresor reciprocating

2). Kompresor sentrifugal

3). Kompresor screw

*Kompresor berfungsi sebagai alat untuk mengkompresi fluida
kriogenik, sehingga temperatur dan tekanan naik.

*

Fungsi utama expander pada kriogenik adalah untuk mengurangi
suhu gas yang sedang di ekspansi untuk menyediakan kebutuhan
pendinginan. Expander merupakan alat mekanik untuk merubah
sebagian energi dari sebuah aliran proses menjadi suatu kerja
mekanik yang berguna sehingga menghasilkan penurunan pada
suhu dan tekanan fluida proses. Terdapat dua daerah aplikasi
untuk pengembalian daya expander dan pendinginan. Dalam
pengembalian daya, tujuannya adalah untuk menghasilkan energy
listrik dari panas buangan / waste heat. Sedangkan dalam
pendinginan atau pencairan tujuannya adalah untuk
mendinginkan fluida.

Metode Untuk Mendapatkan Temperatur Rendah
1). Efek Joule Thompson, metoda ini
menggunakan katup ekspansi dimana efek
perubahan temperatur akibat perubahan tekanan
pada entalpi konstan dinyatakan sebagai koefisien
Joule Thompson.

Ekspansi adiabatik, merupakan metode untuk mendapatkan
temperatur rendah melalui alat penghasil kerja (work-producing
device). Dalam melakukan kerja, kandungan energi berkurang
sehingga menyebabkan penurunan temperatur. Koefisien
ekspansi isentropis / reversible adiabatik, menyatakan perubahan
temperatur karena perubahan tekanan pada entropi konstan :
Untuk proses ekspansi isentropi melalui ekspander selalu
menghasilkan penurunan temperatur, sedangkan ekspansi melalui
katup ekspansi tidak selalu menghasilkan penurunan temperatur.
Proses isentropis mengeluarkan energi gas dalam bentuk kerja
eksternal (external-work method). Ekspansi melalui katup
ekspansi tidak mengeluarkan energi, tetapi menggerakan molekul
terpisah lebih jauh dibawah pengaruh gaya-gaya intermolekuler
sehingga sering disebut (internal-work method)

• Properti Fluida Kriogenik Pada proses kriogenik, fluida yang
digunakan pada dasarnya menggunakan lima jenis fluida
diantaranya oksigen, nitrogen, neon, hydrogen, dan helium.
• System Pemisahan Gas Teknologi pemurnian fluida kriogenik
biasa dilakukan pada temperatur rendah. Visualisasi teknik
pemisahan gas berdasarkan hukum termodinamika ideal dan
system reversible untuk pemisahan gas dapat memberikan
pemahaman sebagai operasi dan energy yang dibutuhkan untuk
berbagai macam system pemisahan. Gambar (skematik pemisahan
gas pada system biner) Seperti pada gambar, dua sislinder yang
tidak memilki gesekan dengan dinding dimana piston sebelah kiri
permeable terhadap gas A tetapi tidak terhadap gas B, sedangkan
pada piston sebelah kanan permeable terhadap gas B tetapi tidak
terhadap gas A. dengan menggerakan piston secara perlahan piston
A terhadap piston B pada tekanan konstan, gas dapat dipisahkan
secara isothermal dan reversible.

Kerja ideal yang dibutuhkan untuk proses reversible isothermal
tersebut adalah :
Pemisahan Gas Argon, Neon, Kripton, dan Xenon Udara
mengandung gas mulia argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), dan
xenon (Xe) walaupun dalam jumlah yang kecil. Gas mulia di
industri diperoleh sebagai hasil samping dalam industri
pembuatan gas nitrogen dan gas oksigen dengan proses destilasi
udara cair. Pada proses destilasi udara cair, udara kering (bebas
uap air) didinginkan sehingga terbentuk udara cair.

*Pada kolom pemisahan gas argon bercampur dengan banyak
gas oksigen dan sedikit gas nitrogen karena titik didih gas argon
(-189,4 0C) tidak jauh beda dengan titik didih gas oksigen (-
182,8 0C). Untuk menghilangkan gas oksigen dilakukan proses
pembakaran secara katalitik dengan gas hidrogen, kemudian
dikeringkan untuk menghilangkan air yang terbentuk. Adapun
untuk menghilangkan gas nitrogen, dilakukan cara destilasi
sehingga dihasilkan gas argon dengan kemurnian 99,999%. Gas
neon yang mempunyain titik didih rendah (-245,9 0C) akan
terkumpul dalam kubah kondensor sebagai gas yang tidak
terkonsentrasi (tidak mencair). Gas kripton (Tb = -153,2 0C)
dan xenon (Tb = -108 0C) mempunyai titik didih yang lebih
tinggi dari gas oksigen sehingga akan terkumpul di dalam
kolom oksigen cair di dasar kolom destilasi utama. Dengan
pengaturan suhu sesuai titik didih, maka masing-masing gas
akan terpisah.

Sistem pemisahan helium Ada 2 cara pemisahan helium
yaitu:
*Pemisahan helium dari gas alam Gas alam I tekan hingga 4,25
Mpa dan dibebaskan dari CO2, hydrogen sulfide dan uap air.
Kemudian gas yang sudah dimurnikan tersebut
dikondensasikan dengan cara didinginkan dengan heat
exchanger. Gas ini dilewatkan pada alat pemisah helium dengan
nitrogen sebagai refrigerannya. Pada alat ini 98% gas dicairkan.
*Pemisahan isotop helium Difusi termal digunakan untuk
menambah jumlah 3He dengan alasan jumlah 3He pada gas
helium sangat kecil. Pemurnin 3He lebih lanjut dilakukan
dengan distilasi.

Pemurnian gas Ada 3 cara yang biasa dilakukan dalam
kriogenik untuk memisahkan pengotor dari gas yang
didinginkan atau dicairkan yaitu:
*Pemurnian dengan refrigerasi Cara ini relative mudah untuk
memisahkan pengotor dari gas. Het exchanger diperlukan untuk
menyingkirkan endapan padat. Bila pengotor dalam fasa cair,
dapat dipisahkan dengan gaya gravitasi (perbedaan densitas).
*Adsorpsi Adsorpsi melibatkan kemampuan mengikat dan
ketahanan satu atau lebih permukaan molekul dari sebuah gas
pada permukaan sebuah padatan. Absorban yang biasa
digunakan adalah bahan gel dan karbon.

*Pemurnian dengan proses kimia Tanki Penyimpanan Cairan
Kriogenik dan System Transport Cairan Kriogenik Tangki
penyimpanan untuk cairan kriogenik mempunyai 2 bagian,
yaitu bagian dalam yang digunakan sebagai tangki untuk
menampung produk dan tangki bagian luar sebagai pembatas
antara kondisi ambient dengan tangki bagian dalam. Bagian
antara tangki dalam dan luar yang biasa disebut annulus
merupakan bagian yang diisi oleh lapisan penyekat serta
tekanan divakum. Lapisan pemantul dan penyekat serat
pemvakuman bagian annulus bertujuan untuk menghalangi dan
menghambat terjadinya penyerapan panas dari luar oleh tangki
dalam yang jauh lebih dingin.

*Bagian pemantul berguna untuk mengurangi perpindahan
radiasi, lapisan penyekat berfungsi untuk mengurangi
perpindahan panas konduksi dan pemvakuman berfungsi untuk
mengurangi panas konveksi. Selain itu pipa pembuangan uap
harus disediakan untuk membuang uap dari cairan kriogenik
yang dihasilkan karena adanya panas yang masuk ke tangki
dalam.
*Lapisan pemantul dan penyekat serat pemvakuman bagian
annulus bertujuan untuk menghalangi dan menghambat
terjadinya penyerapan panas dari luar oleh tangki dalam yang
jauh lebih dingin. Bagian pemantul berguna untuk mengurangi
perpindahan radiasi, lapisan penyekat berfungsi untuk
mengurangi perpindahan panas konduksi dan pemvakuman
berfungsi untuk mengurangi panas konveksi. Selain itu pipa
pembuangan uap harus disediakan untuk membuang uap dari
cairan kriogenik yang dihasilkan karena adanya panas yang
masuk ke tangki dalam.

Selain itu ada pipa untuk mengisi atau mengosongkan tangki
dalam. Pengosongan atau pemindahan cairan di dalam tangki
bisa dilakukan dengan cara pressurization atau batang
suspensi, sehingga posisi tangki dalam menggantung terhadap
tangki luar. Untuk memperkuat dinding tangki, baik bagian
dalam maupun bagian luar, biasanya digunakan cincin
penguat yang melingkar di bagian dalam atau bagian luar
tangki. Dalam perancangan tangki dalam biasanya dirancang
untuk tidak diisi penuh 100, tapi hanya diisi kurang lebih
90.

Karena selalu ada panas yang masuk ke tangki sehingga
tekanan tangki dalam akan meningkat akibat dari adanya
cairan kriogenik yang terevaporasi. Pengaliran Cairan Salah
satu cara untuk mengalirkan cairan kriogenik yaitu dengan
melewatkan cairan dari tangki dan dipanaskan di dalam
evaporator eksternal. Setelah cairan kriogenik menguap,
kemudian uap dikembalikan ke dalam tangki melalui difuser.
Perubahan volume yang besar membuat kenaikan tekanan
dalam tangki. Jumlah cairan untuk menaikkan tekanan tanki
diperoleh dengan :
2 g2 – Vg1 g1 Dengan : Vg = volume berlebih
g = berat jenis gas 1,2 = kondisi sebelum dan sesudah
penguapan.

*Expanded foams
Multilayer insulations Expanded Foam Busa adalah bahan
yang tidak homogen, maka konduktivitas termal dari
insulasi jenis ini bergantung dari densitas insulasi itu
sendiri dan juga gas yang digunakan untuk membuat foam
tersebut. Gas yang digunakan untuk membuat foam
insulation adalah karbon dioksida. Salah satu kerugian
dari penggunaan jenis insulasi ini adalah besarnya
ekspansi thermal. Foam dapat retak atau pecah jika suhu
terlalu dingin karena foam akan lebih menyusut
dibandingkan tangki sehingga uap air dan udara dapat
masuk dan akan menurunkan keefektifan insulasi.
Keuntungan : Biaya tidak mahal , Tidak memerlukan jaket
vakum Kekurangan : Konstraksi panas tinggi ,
Konduktivitas mungkin berubah terhadap waktu ,
Konduktivitas thermal paling besar diantara jenis insulasi
yang lain

*Gas filled powders and fibrous materials
Gas Filled Powders and Fibrous Materials Mekanisme dari
insulasi ini adalah mengurangi atau menghilangkan transfer
panas konveksi karena adanya sedikit kekosongan gas didalam
bahan. Keuntungan : Biaya rendah, Dapat mengurangi
terjadinya bentuk permukaan insulasi yang tidak rata.
Kekurangan : Harus tetap dijaga dalam keadaan kering dengan
menggunakan penghalang uap, Bubuk dapat saling
menyatu/memadat sehingga konduktivitas thermal meningkat

*Vacuum
Vacuum Insulation (Insulasi vakum) Berfungsi untuk
menghilangkan dua komponen yang berhubungan dengan
transfer panas yaitu konduksi solid dan konveksi gas.
Keuntungan : Heat flux lebih rendah untuk ketebalan yang
kecil, Losses dalam pendinginan sangat kecil, Dapat digunakan
dengan mudah walau bentuk tangki rumit Kekurangan :
memerlukan pemvakuman yang permanen, Batas permukaan
harus memiliki emisitivitas yang rendah.

*Evacuated powder and fibrous material
Evacuated Powder and Fibrous Material Keuntungan : Heat flux
lebih rendah dari vacuum alone untuk ketebalan lebih dari 4 in,
Tingkat pemvakuman tidak seketat vacuum alone dan insulasi
multilayer, Bentuk yang rumit dapat dengan mudah diinsulasi
kekurangan : Bubuk dapat memadat bila ada getaran,
diperlukan vacuum filter untuk mencegah bubuk masuk ke
sistem vakum

* Opacified powders
Opacified Powders Fungsi dari opacifier powder (tembaga atau
aluminium) adalah untuk meningkatkan kinerja dari insulasi
jenis evacuated powder. Keuntungan : Kinerja yang lebih baik
dibandingkan evacuated powder, tingkat pemvakuman tidak
seketat vacuum alone dan

Insulasi Multilayer Insulasi multilayer bekerja dalam keadaan
vakum agar lebih efektif. Konduktivitas yang kecil pada penyekat
banyak lapis bisa terjadi karena semua jenis aliran panas ditekan
sampai batas yang paling kecil. Radiasi bisa dikurangi dengan
lapisan material yang mempunyai emisi yang rendah. Konduksi
bisa dikurangi dengan menggunakan material yang mempunyai
konduktivitas rendah. Keuntungan : Memiliki kinerja paling
bagus diantara yang lain, ringan, lebih stabil (tidak bermasalah
bila terjadi pemadatan bubuk) kekurangan : Biaya per unit
volume lebih tinggi, susah diaplikasikan untuk bentuk yang
rumit, membutuhkan pemvakuman yang tinggi dibandingkan
evacuated powders System Transportasi Cairan Kriogenik

Instrumentasi Kriogenik Hal yang terpenting pada instrumentasi
dalam kondisi kriogenik adalah kondisi suhu yang sangat ekstrim,
dimana peralatan ukur konvensional tidak dapat digunakan.
Berikut aspek-aspek penting berkaitan dengan sifat dan fungsi
alat, jenis bahan ukur yg di gunakan untuk system kriogenik.
Karakteristik dan sifat alat ukur kriogenik :
• Panas penguapan dan sistem dua fasa
• Expansivity
• Densitas relative
• Stratifikasi Pengukuran suhu

Termometer cairan dalam gelas Untuk suhu dibawah -
150 F dapat digunakan cairan seperti pentane, toluene,
atau propane. Termometer jenis ini relative murah dan
akurasinya berkisar antara 0,5-2 F.
Termometer tahanan metal (Termokopel) Suhu logam
akan mempengaruhi tahanan listrik pada logam
tersebut. Hal ini menjadi dasar pengukuran
menggunakan alat ini. Pada pengukuran suhu dibawah
600 C, thermometer tahanan platinum cukup baik
digunakan.

Termometer tahanan semikonduktor Konduktivitas material
semikonduktor juga dipengaruhi oleh suhu. Karbon, Germanium,
Silicon, dan Tellurium merupakan bahan semikonduktor yang
dapat digunakan untuk thermometer ini. Pengukuran tekanan 1.
Manometer Manometer adalah alat untuk mengukur tekanan pada
suatu lokasi dengan menggunakan prinsip keseimbangan tekanan
hidrositas. 2. Bourdon gauge 3. Diaphragm transducer
Diaphragm transducer di gunakan untuk pengkuran dinamik
dimana terjadi variasi tekanan, Diaphragm merupakan alat yang
tepat pada kondisi pengukuran kriogenik.

*
untuk sistem kriogenik cara kerjanya dengan
memanfaatkan atom-atom garam paramagnetik atau
sebagai magnet-magnet kecil, jika garam-garam
tersebut tidak termagnetisasi, maka atom-atom akan
terorientasi secara acak sehingga gaya-gaya magnet
ada dalam keadaan setimbang.
Jika kemudian garam-garam tersebut termagnetisasi
ekstra kuat maka atom-atom akan terorientasi
sehingga susunannya akan teratur searah dengan
medan magnet dan hal tersebut membutuhkan kerja,
kerja tersebut dikonversi menjadi panas sehingga
temperaturnya akan meningkat

Kemudian setelah didinginkan oleh H₂ dan He cair,
medan magnet diambil atau dihilangkan sehingga
atom-atom akan kembali terorientasi secara acak,
dalam hal ini atom-atom akan melakukan kerja.
Karena terisolasi secara adiabatik energi dalam dari
garam tersebut akan menurun dan akibatnya tak ada
jalan lain kecualibahwa garam tersebut yang harus
menurunkan temperaturnya sendiri(secara isentropik
hampir sempurna).
Dengan cara ini dapat dicapai temperatur sebesar
0,00001 K atau 10⁻⁵.

*
Hitung koefisien joule thomson untuk udara
terekspansi secara entalpy konstan dari 14000
kPa ke 100kPa, jika temperatur awal 20⁰C
Jawab :
20⁰C = 68⁰F
14000
100
𝑥 14,7 = 2058 𝑃𝑠𝑖
=
68−20
2058−14,7 = 0,02349 ⁰F / Psi

Dari soal diatas berapakah nilai joule thomson untuk
udara terekspansi jika temperatur awalnya -75⁰C
Jawab :
-75⁰C = -103⁰F
=
−103 −(−220)
2058 −14,7
= 0,0572 ⁰F/Psi

Sebutkan dua saja keuntunggan sistem refrigerasi
dengan menggunakan sistem kriogenik
*Dengan kapasitas yang kecil bisa mendinginkan
temperatur yang sangat besar (-)
*Ompresor yang digunakan bisa berkapasitas
kecil sehingga bisa menghemat daya

Jika temperatur awal 25⁰C dan udara terekspansi secara
konstan dari 20000 kPa ke 250 kPa. Hitung koefisien
joule thomson
Jawab :
25⁰C = 77⁰F
=
20000
250
𝑥 14,7 = 1,17 𝑃𝑠𝑖
=
77 −25
1,17 −14,7
= 3,84 ⁰F/Psi