Bab 4 Prosedur Pengujian, Pengambilan Data, dan Pengolahan Data
4.1 Prosedur Pengujian Gasifikasi Bonggol Jagung Dalam melakukan pengujian gasifikasi bonggol jagung, terdapat prosedur yang harus diikuti. Prosedur ini dimaksudkan untuk menghindari kecelakaan kerja ataupun kerusakan alat. Prosedur ini juga dimaksudkan agar alat yang diuji dapat bekerja dengan baik, serta untuk memperoleh hasil yang terpercaya. Berikut adalah prosedur yang harus dilakukan dalam pengujian:
A. Persiapan sebelum melakukan gasifikasi 1. Persiapkan reaktor gasifikasi dengan baik. Pastikan blower penghisap gas bahan bakar hasil gasifikasi telah terhubung dengan inverter. Pastikan inverter telah terhubung dengan listrik, namun kontak listrik dalam keadaan terbuka. 2. Potong bonggol jagung kering sehingga berukuran 3x3 cm. 3. Siapkan abu atau arang hasil pembakaran sekam padi atau bonggol jagung. 4. Siapkan obor untuk memicu pembakaran gas hasil gasifikasi. 5. Masukkan abu atau arang ke dalam reaktor sehingga memenuhi 2/3 dari tinggi tabung yang berada di bawah reaktor gasifikasi. 6. Nyalakan blower penghisap gas, kemudian ukur kecepatan aliran udara pada nosel keluaran blower. Catat harga kecepatan aliran, kemudian matikan kembali blower. 7. Masukkan bahan bakar (campuran sekam padi dan bonggol jagung agar lebih cepat terbentuk bara yang merata). Sehingga ketinggian bahan bakar berada di mulut bawah tabung reaktor gasifikasi. 8. Bakar secarik kertas dengan api, lalu masukkan ke dalam reaktor gasifikasi.
22
9. Nyalakan inverter, kemudian atur frekuensi inverter agar blower berputar pada kecepatan sedang dan terbentuk bara yang merata. 10. Setelah bara terbentuk di permukaan atas bahan bakar, masukkan bahan bakar (bonggol jagung) sehingga ketinggian bahan bakar di bawah bibir atas tabung reaktor gasifikasi. 11. Catat waktu dimulainya proses gasifikasi.
B. Prosedur
yang
dilaksanakan
ketika
proses
gasifikasi
sedang
berlangsung 1. Nyalakan obor. 2. Setelah asap hasil pembakaran bahan bakar mulai habis, bakar gas dengan cara memasukkan ujung obor melalui lubang pemasukkan udara pada burner. 3. Atur frekuensi inverter agar gas hasil gasifikasi mengalir dengan kecepatan yang cukup, sehingga dapat bercampur baik dengan udara. Pertahankan frekuensi inverter sehinga blower berputar dengan kecepatan yang konstan. 4. Setelah gas mengalir dengan kecepatan yang cukup, gas akan terbakar dengan mudah dan terjadi api pembakaran yang stabil. 5. Catat waktu dimulainya pembakaran gas hasil gasifikasi. 6. Catat frekuensi yang ditunjukkan display pada inverter. 7. Matikan obor guna mencegah terjadinya kebakaran. 8. Ambil sampel gas hasil gasifikasi menggunakan suntikan pengambil gas, melalui lubang yang telah disiapkan khusus. 9. Setelah sampel gas diambil, tutup jarum suntik menggunakan penutup karet. 10. Apabila terjadi gangguan yang menyebabkan api pembakaran mati, nyalakan kembali menggunakan obor. 11. Setelah api meredup dan bara telah mencapai permukaan bahan bakar paling atas, hentikan pencatat waktu proses gasifikasi dan waktu pembakaran.
23
C. Prosedur yang dilaksanakan setelah proses gasifikasi berakhir 1. Siramkan sedikit air guna mematikan bara yang terjadi. 2. Setelah bara padam, matikan kontak listrik inverter.
4.2 Data Pengujian Data-data yang dibutuhkan dalam melakukan analisis dan perhitungan efisiensi reaktor gasifikasi bonggol jagung, diperoleh melalui pengujian yang dilakukan di laboratorium Termodinamika PAU-ITB. Pengujian dilakukan pada tanggal 13 September 2007. Data yang diperoleh melalui pengujian yang dilakukan disajikan dalam tabel di bawah ini:
Tabel 4.1. Data hasil pengujian Bahan bakar
Bonggol jagung
LHVbahan bakar
15400 kJ/kg
Massa bahan bakar
3,7 [kg]
Waktu pembakaran
35 menit 19 detik
Kecepatan udara keluar nozzle
14 [m/s]
Dimeter nozzle
0,03 [m]
Kandungan gas hasil gasifikasi dapat diketahui melalui pengujian gas chromatography. Pengambilan sample gas uji dilakukan ketika pengujian reaktor sedang berlangsung melalui sebuah lubang kecil pada nozzle reaktor gasifikasi. Gas sejumlah 1 cc diambil menggunakan sebuah alat suntik beserta jarum. Gas yang telah diperoleh kemudian disuntikkan ke dalam alat gas chromatography. Selanjutnya alat gas chromatography akan memisahkan gas berdasarkan waktu retensinya dan menghasilkan data kandungan gas beserta fraksi volumenya.
24
Kandungan gas hasil uji gas chromatography disajikan dalam tabel 4.2 di bawah ini:
Tabel 4.2. Komposisi gas hasil uji gas chromatography. No
Gas
Fraksi volume
1
Karbon Dioksida (CO2)
14,0385
2
Hidrogen (H2)
8,0161
3
Oksigen (O2)
1,1996
4
Nitrogen (N2)
57,0345
5
Metana (CH4)
1,5823
6
Karbon Monoksida (CO)
18,1290
Tabel 4.2 menunjukkan komposisi gas dalam fraksi volume. Dengan mengasumsikan bahwa campuran gas tersebut merupakan campuran gas ideal, maka fraksi volume gas tersebut dapat diasumsikan sama dengan fraksi mol. Data komposisi gas yang diperoleh dari uji gas chromatography dapat digunakan untuk mengetahui sifat-sifat fisik gas. Dengan mengetahui komposisi dan sifat sifat fisik gas hasil gasifikasi, berbagai perhitungan untuk mengetahui karakteristik reaktor gasifikasi dapat dilakukan.
4.3 Pengolahan Data
4.3.1 Perhitungan Entalpi Pembakaran Gas Hasil Gasifikasi Kandungan energi dalam gas hasil gasifikasi dapat diketahui melalui perhitungan entalpi pembakaran pada burner. Hal ini dapat dilakukan dengan menganggap burner sebagai sebuah sistem tertutup, dan pembakaran stokiometrik gas hasil gasifikasi terjadi di dalam burner.
25
Temperatur gas hasil gasifikasi diasumsikan sebesar 480 K. Hal ini diperoleh dari hasil pengukuran temperatur gas hasil gasifikasi reaktor milik Belonio. Sedangkan tekanan gasnya adalah 1 atm (101,325 kPa). Udara yang digunakan dalam pembakaran diasumsikan dalam tingkat keadaan standar yaitu pada temperatur 298 K dan 1 atm. Reaksi pembakaran yang dilakukan menghasilkan produk gas hasil pembakaran dengan temperatur 900 K dan tekanan 1 atm. Hal ini sesuai dengan skema sistem yang digambarkan dalam Gambar 4.1 di bawah ini:
Gambar 4.1 Skema pembakaran pada burner.
Dalam melakukan perhitungan nilai entalpi pada reaksi pembakaran yang terjadi, beberapa asumsi digunakan untuk menyederhanakan perhitungan. Asumsiasumsi tersebut diantaranya:
1. Batas volume atur ditunjukkan oleh garis putus-putus dalam Gambar 4.1 2. Sistem beroperasi dalam keadaan tunak. 3. Perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan. 4. Reaktan dan produk merupakan campuran gas yang berlaku seperti gas ideal. 5. Udara pembakaran yang digunakan adalah udara kering.
Diketahui reaksi pembakaran gas hasil gasifikasi adalah: a CO + b H2 + c CH4 + d CO2 + e O2 + f N2 + g (O2 +3,76N2) d CO2 + h CO2 + i H2 O + j N2 26
Koefisien reaksi gas dapat diperoleh dari data fraksi mol sesuai dengan kandungan gas hasil uji gas chromatography, sehingga: a = 0,181290 b = 0,080161 c = 0,015823 d = 0,140385 e = 0,011996 f = 0,570345
Reaksi pembakaran menjadi: 0,181290 CO + 0,080161 H2 + 0,015823 CH4 + 0,140385 CO2 + 0,011996 O2 + 0,570345 N2 + g (O2 +3,76N2) d CO2 + h CO2 + i H2O + j N2 Dengan menerapkan konservasi massa terhadap massa karbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen, maka reaksi pembakaran di atas dapat disetarakan. Reaksi pembakaran kemudian menjadi: 0,181290 CO + 0,080161 H2 + 0,015823 CH4 + 0,140385 CO2 + 0,011996 O2 + 0,570345 N2+ 0,1503755 (O2 +3,76N2) 0,140385 CO2 + 0,197113 CO2 + 0,111807 H2O + 1,135757 N2 Berdasarkan asumsi yang digunakan, maka kesetimbangan energi yang terjadi pada sistem pada Gambar 4.1 di atas adalah: Entalpi reaktan = Entalpi produk + Q hR = hP + Q Sehingga, -Q = hP - hR = Entalpi pembakaran hRP = hP - hR Karena reaktan dan produk merupakan suatu campuran gas dengan jumlah mol tertentu, maka dalam basis mol persamaan menjadi: −
−
−
h RP = ∑ n P h P − ∑ n R h R P
...1)
R
27
Berdasarkan definisi yang diperoleh dari referensi [moran-saphiro], maka −
entalpi spesifik ( h ) pada tingkat keadaan diluar tingkat keadaan standar adalah _
penjumlahan entalpi pembentukan standar dengan ( h of ) perubahan entalpi spesifik −
antara tingkat keadaan standar dengan tingkat keadaan yang ditinjau ( ∆ h ). Sehingga: −
_
−
−
_
−
h ( T, p ) = h of + [ h ( T , p ) - h ( Tref , pref )] = h of + ∆ h
...2)
Dengan meninjau reaksi pembakaran dan suku pertama dari persamaan 1), maka persamaan entalpi spesifik produk adalah : _ − _o 0,140385 n h = ∑P P P h f + ∆ h + 0,197113 CO 2 _ _o + 1,135757 h f + ∆ h H 2O
_ _o h f + ∆ h + 0,111807 CO 2
_ _o h f + ∆ h N2
...3)
Dalam reaksi pembakaran yang terjadi, sebanyak 0,140385 mol CO2 dan 0,570345 mol N2 yang terkandung dalam gas bakar tidak bereaksi dengan udara. Dengan kata lain, tidak terjadi pembentukan 0,140385 mol CO2 dan 0,570345 mol N2. Sehingga dalam perhitungan yang dilakukan, entalpi pembentukan standarnya _ o f
bernilai 0 ( h = 0). Selain itu, entalpi pembentukan standar dari elemen-elemen yang bersifat stabil seperti N2, O2, H2 dll. juga bernilai 0. Maka persamaan 3) menjadi:
− _ 0,140385 n h = P ∑P P ∆ h + 0,197113 CO2
_ _o h + ∆ h f + 0,111807 CO 2
_ _o h + ∆ h + 1,135757 f H 2O
_ ∆ h N2
Harga entalpi pembentukan standar untuk CO2 dan H2O diperoleh dari tabel A-25. Sedangkan entalpi spesifik untuk N2, CO2 dan H2O diperoleh melalui
28
interpolasi pada T = 900 K dari tabel A-23 [7]. Maka entalpi spesifik produk adalah:
∑n
−
P
hP =
0,140385 [(37405-9364)] + 0,197113 [-393520+(37405-
P
9364)] + 0,111807 [-241820+(31828-9904)] + 1,135757 [(26980-8669)] =
3936,53 + (-72040,66) + (-24585,91) + 20796,85
=
-71893,19 [kJ/kmol]
Sedangkan entalpi spesifik reaktan diperoleh melalui persamaan: _ − _o 0,181290 n h = ∑R R R h f + ∆ h CO
_ _ + 0,080161 h of + ∆ h H2
_ _ _o _o + 0,015823 h f + ∆ h + 0,140385 h f + ∆ h CH 4 CO 2 _ _ _o _o + 0,011996 h f + ∆ h + 0,570345 h f + ∆ h O2 N2 _ _ _o _o + 0,1503755 h f + ∆ h + 0,565412 h f + ∆ h O2 N2
Udara yang direaksikan berada dalam tingkat keadaan standar, sehingga −
∆ h = 0. Selain itu, karena CO2 yang terkandung dalam gas bakar tidak bereaksi maka entalpi pembentukan standarnya bernilai 0. Sehingga entalpi pembentukan standar untuk CO2 beserta elemen-elemen yang bersifat stabil seperti N2, O2, H2, bernilai 0.
∑n R
R
_ − _ + 0,080161 h R = 0,181290 h of + ∆ h CO _ _ + 0,015823 h of + ∆ h + 0,140385 CH 4
29
_ 0 + ∆ h H2 _ 0 + ∆ h CO2
_ + 0,011996 0 + ∆ h + 0,570345 O2
+ 0,1503755 [ 0 + 0]O
2
_ 0 + ∆ h N2
+ 0,565412 [0 + 0]N 2
Sehingga persamaan menjadi: _ − _o n h = 0,181290 + 0,080161 R ∑R R h f + ∆ h CO _ _ + 0,140385 + 0,015823 h of + ∆ h CH 4
_ ∆ h H2 _ ∆ h CO2
_ _ + 0,011996 ∆ h + 0,570345 ∆ h O2 N2
Harga entalpi pembentukan standar untuk CO, dan CH4 diperoleh dari tabel A-25. Sedangkan entalpi spesifik untuk CO, N2, CO2, O2 dan H2O diperoleh melalui interpolasi pada T = 480 K dari tabel A-23 [7]. Sedangkan entalpi spesifik untuk H2 dan CH4 diperoleh melalui persamaan: −
−
∆ h = c p .∆ T −
−
Harga c p diperoleh dari tabel A-21 [7]. Untuk T = 480 K, c p untuk H2 dan CH4 adalah: −
c p H = 29,27 kJ/kmol.K 2
−
c p CH = 45,06 kJ/kmol.K 4
Maka entalpi spesifik produk adalah:
∑n
−
R
hR =
0,181290 [-110530 + (14005-8669 ) ] + 0,080161 [29,27 (480 -
R
298)] + 0,015823 [-74850 + 45,06 (480-298)] + 0,140385 [(16791 - 9364)] + 0,011996 [(14151-8682)] + 0,570345 [(13988-8669)]
30
=
-19070,62 + 427,03 + (-1054,59) + 1042,64 + 65,60 + 3033,66 -15556,28 [kJ/kmol]
=
Sehingga entalpi pembakaran gas hasil gasifikasi dalam basis mol adalah: −
−
−
h RP = ∑ n P h P − ∑ n R h R P
R
= (-71893,19 - (-15556,28)) [kJ/kmol] = -56336,91 [kJ/kmol] Untuk mengetahui entalpi pembakaran dalam basis massa, maka perlu diketahui massa molar rata-rata dari gas, yaitu: M rata − rata = ∑ n i M i = 0,181290 M CO + 0,080161 M H 2 + 0,015823 M CH 4 + 0,140385 M CO 2 + 0,011996 M O 2 + 0,570345 M N 2
= 0,181290 (28,01) + 0,080161 (2,016) + 0,015823 (16,04) + 0,140385 (44,01) + 0,011996 (32) + 0,570345 (28,01)
= 5,08 + 0,1616 + 0,254 + 6,178 + 0,3839 +15,975 = 28.03 Maka entalpi pembakaran dalam basis massa adalah: _
h RP = h RP =
h RP M rata − rata -56336,91 28,03
h RP = −2009,88[kJ
kg
]
Nilai kalor bawah (LHV) didefinisikan sebagai panas yang dilepaskan pada saat bahan bakar bereaksi pada tingkat keadaan standar (25oC, 1 atm) dan produk hasil pembakaran tersebut kembali ke tingkat keadaan standar [8]. Untuk menentukan besarnya nilai kalor bawah (LHVgas) dalam basis massa, terlebih dahulu kita tentukan persen massa gas.
31
Tabel 4.3 Komposisi gas dalam persen massa No.
Gas
Fraksi Volume
Fraksi Massa
1
Karbon Dioksida (CO2)
14,0385
22,04
2
Hidrogen (H2)
8,0161
0,58
3
Oksigen (O2)
1,1996
1,37
4
Nitrogen (N2)
57,0345
56,99
5
Metan (CH4)
1,5823
0,91
6
Karbon Monoksida (CO)
18,1290
18,11
Tabel 4.4 Nilai LHV Gas No.
Gas
LHV (Btu/lb)
1
Karbon Dioksida (CO2)
-
2
Hidrogen (H2)
51625
3
Oksigen (O2)
-
4
Nitrogen (N2)
-
5
Metan (CH4)
21495
6
Karbon Monoksida (CO)
4347
Sumber : The CRC Press Handbook of Mechanical Engineering, CRC Press, Boca Raton, FL, 1998
Besar nilai kalor bawah dalam basis massa adalah: LHVgas = [CH4].(LHV CH4) + [H2].(LHV H2) + [CO].(LHV CO)
32
= (0,0091. 21495 + 0,0058. 51625 + 0,1811. 4347) [Btu/lb] = 1282,27 [Btu/lb] . 2,326 [kJ/kg] . 1 [lb/Btu] = 2982,56 [kJ/kg]
Sebagai perbandingan hasil perhitungan, sifat-sifat fisik gas juga diperoleh dengan menggunakan bantuan software HYSIS 3.2. Input yang digunakan dalam software tersebut adalah komposisi, temperatur, serta tekanan gas. Temperatur gas diasumsikan sekitar 207o C, sedangkan tekanannya adalah 1atm (101,325 kPa). Untuk pengolahan data, sifat fisik yang dibutuhkan adalah kepadatan gas, dari
HYSIS 3.2 diperoleh: Densitas (ρ) = 0.7023 [kg/m3] Selain itu, dari HYSIS 3.2 juga dapat diketahui nilai kalor bawah (Lower Heating Value) dari sample gas. Nilai kalor gas tersebut adalah:
LHVgas = 2975 [kJ/kg] Dapat dilihat terdapat selisih yang jumlahnya tidak signifikan antara hasil perhitungan dengan cara manual dan dengan menggunakan bantuan software
HYSIS 3.2. Namun untuk hasil yang lebih akurat dipilih hasil yang diperoleh dengan menggunakan bantuan software HYSIS 3.2 untuk perhitungan selanjutnya.
4.3.2 Laju Konsumsi Bahan Bakar Laju konsumsi bahan bakar didefinisikan sebagai jumlah konsumsi bahan bakar (bonggol jagung) per satuan waktu pembakaran bahan bakar yang menghasilkan gas. Hal ini dirumuskan sebagai:
.
m fuel =
m fuel [kg ] t gasifikasi [hr ]
=
3.7[kg ] = 6.286 kg hr 0.58861[hr ]
Laju konsumsi bahan bakar adalah 6,286 [kg/jam].
33
4.3.3 Laju Aliran Massa Gas Laju aliran massa gas hasil gasifikasi dapat diketahui dengan mengalikan densitas gas dengan debit aliran gas. Hal ini dapat dirumuskan sebagai berikut: .
m gas = ρ .Q .
m gas = ρ . Anozzle .Vgas .
m gas
π .(0.03m) 2 3600s = (0,7023)[kg / m ]. (14)[m / s ] 4 1hr 3
.
m gas = 25, 02[ kg / hr ] Laju aliran massa gas keluaran reaktor adalah 25,02 [kg/jam]
4.3.4 Daya Gas Gas yang dihasilkan memiliki kandungan energi per satuan massanya. Daya maksimum gas keluaran reaktor merupakan perkalian antara kandungan energi ini dikalikan dengan laju aliran massanya. Sehingga: .
Pmaks = m gas LHVgas Pmaks = (25, 02)[kg / hr ].[1hr / 3600 s ].(2975)[kJ / kg ] Pmaks = 20, 68kW Namun daya yang dihasilkan ini bukan daya keluaran sebenarnya, karena adanya energi panas yang terbuang (Qloss) pada burner yang diakibatkan oleh isolasi sistem yang tidak sempurna. Energi panas yang terbuang (Qloss) pada burner yang terjadi besarnya dapat diketahui dengan mengalikan besarnya entalpi pembakaran dengan laju aliran massanya. .
Qloss = m gas hRP Qloss = (25, 02)[kg / hr ].[1hr / 3600 s].(2009,88)[ kJ / kg ] Qloss = 13,96kW
34
Besarnya daya sebenarnya (Psebenarnya) adalah pengurangan dari daya gas (P) dengan energy panas yang terbuang (Qloss). Psebenarnya
= Pmaks - Qloss = 20,68 kW - 13,96 kW
= 6,72 kW
Dari hasil perhitungan di atas, kita dapat menentukan besarnya nilai efisiensi burner. Besarnya efisiensi burner adalah :
ηburner =
Psebenarnya
ηburner =
6, 72 .100% = 32,5% 20, 68
Pmaks
.100%
Efisiensi burner adalah sebesar 32,5%
4.3.5 Efisiensi Gasifikasi Efisiensi konversi energi bonggol jagung melalui gasifikasi adalah:
η gasifikasi =
Pmaks
x100%
.
mbahanbakar LHVbahanbakar 20, 68kW x100% 6, 286[kg / hr ].[1hr / 3600s ].15400[kJ / kg ] 20, 68kW = x100% 26,8901kW = 76,9%
η gasifikasi = η gasifikasi η gasifikasi
Efisiensi gasifikasi adalah sebesar 76,9%.
35
4.4 Analisis Hasil perhitungan yang diperoleh belum menunjukkan daya dan efisiensi reaktor gasifikasi yang sebenarnya. Hal ini disebabkan karena beberapa hal, diantaranya adalah: 1. Banyaknya asumsi yang digunakan untuk menyederhanakan perhitungan. 2. Belum terpasangnya alat ukur untuk memperoleh data-data yang diperlukan. 3. Pengambilan data hanya dilakukan satu kali sehingga keterulangannya masih belum teruji. 4. Belum adanya standar perancangan, prosedur pengujian serta perhitungan untuk reaktor gasifikasi biomassa. Secara umum, perhitungan yang dilakukan pada sub-bab sebelumnya menunjukkan harga efisiensi dan daya sistem gasifikasi yang cukup baik. Reaktor gasifikasi mempunyai efisiensi sebesar 76,9%. Sedangkan daya netto yang dihasilkan sebesar 6,72 kW. Berdasarkan hasil perhitungan yang ditunjukkan, reaktor gasifikasi dinilai cukup baik untuk diaplikasikan di industri kecil dan menengah. Selain karena memiliki daya dan efisiensi yang cukup baik, reaktor gasifikasi ini terbukti mampu memanfaatkan energi yang terkandung dalam biomassa secara lebih efektif dibandingkan pembakaran langsung. Hal ini disebabkan sistem gasifikasi mempunyai keunggulan yaitu pembakaran yang terjadi relatif lebih bersih serta kemudahan dalam pemanfaatan bahan bakar dalam bentuk gas. Pengamatan secara visual menunjukkan api pembakaran gas hasil gasifikasi bonggol jagung berwarna merah. Hal ini menunjukkan terjadinya pembakaran yang tidak sempurna dalam burner yang digunakan. Selain itu, api pembakarannya pun tidak stabil yang disebabkan karena produksi gas yang tidak stabil.
36
