Bab 5 Pengujian dan Pengolahan Data
5.1 Prosedur Pengujian Gasifikasi Sekam Padi Dalam melakukan pengujian gasifikasi sekam padi, 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 listrik, namun kontak listrik dalam keadaan terbuka. 2. Siapkan sekam padi kering 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 (sekam padi) sehingga ketinggian bahan bakar berada di mulut bawah tabung reaktor gasifikasi. 8. Bakar secarik kertas dengan api, lalu masukkan ke dalam reaktor gasifikasi. 9. Nyalakan blower.
52
10. Setelah bara terbentuk di permukaan atas bahan bakar, masukkan bahan bakar (sekam padi) 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 pemantik pada pembakar (burner). 3. Catat waktu dimulainya pembakaran gas hasil gasifikasi. 4. Matikan obor guna mencegah terjadinya kebakaran. 5. Catat warna dan bentuk api hasil pembakar (burner). 6. Apabila terjadi gangguan yang menyebabkan api pembakaran mati, nyalakan kembali menggunakan obor. 7. Setelah api meredup dan bara telah mencapai permukaan bahan bakar paling atas, hentikan pencatat waktu proses gasifikasi dan waktu pembakaran.
C. Prosedur yang Dilaksanakan Setelah Proses Gasifikasi Berakhir 1. Siramkan sedikit air guna mematikan bara yang terjadi. 2. Setelah bara padam, cabut blower dari kontak.
5.2
Data Pengujian Pengujian dilakukuan dua kali dengan 2 kondisi yang berbeda, yaitu pada pagi
hari dan malam hari. Data-data yang dibutuhkan dalam melakukan analisis dan perhitungan efisiensi reaktor gasifikasi sekam padi, diperoleh melalui pengujian yang dilakukan di laboratorium Termodinamika PAU-ITB. Pengujian dilakukan pada tanggal 17-18 Januari 2008. Data yang diperoleh melalui pengujian yang dilakukan disajikan dalam tabel 5.1 di bawah ini: 53
Tabel 5.1 Data Hasil Pengujian
Kondisi Kecepatan Gas Masuk Api Stabilitas Api Arah Angin Arah Api Burner Backflow Cuaca
5.3 5.3.1
I 14 m/s Biru Stabil Barat Barat Tidak Cerah
II 14 m/s Biru Tidak Timur Barat Ya Mendung
Pengolahan Data Perhitungan Entalpi Pembakaran Gas Hasil Gasifikasi Kandungan energi dalam gas hasil gasifikasi dapat diketahui melalui
perhitungan entalpi pembakaran pada pembakar (burner). Hal ini dapat dilakukan dengan menganggap pembakar (burner) sebagai sebuah sistem tertutup, dan pembakaran stokiometrik gas hasil gasifikasi terjadi di dalam pembakar (burner). Temperatur gas hasil gasifikasi diasumsikan sebesar 500 K. Hal ini diperoleh dari hasil pengukuran temperatur gas hasil gasifikasi reaktor milik Belonio [5]. Tedangkan tekanan gas 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 1200 K dan tekanan 1 atm. Hal ini sesuai dengan skema sistem yang digambarkan dalam Gambar 5.1 di bawah ini:
Gambar 5.1 Skema Pembakaran Pada Pembakar (Burner).
54
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 5.1 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 H2O + j N2 Koefisien reaksi gas dapat diperoleh dari data fraksi mol sesuai dengan kandungan gas hasil uji gas chromatography, sehingga: a = 0,160854 b = 0,05096 c = 0,020242 d = 0,167814 e = 0,021583 f = 0,578547
Reaksi pembakaran menjadi: 0,160854 CO + 0,05096 H2 + 0,020242 CH4 + 0,167814 CO2 + 0,021583 O2 + 0,578547 N2 + 0,124808 (O2 +3,76N2) 0,167814 CO2 + 0,181096 CO2 + 0,091444 H2O + 1,04782508 N2 Berdasarkan asumsi yang digunakan, maka kesetimbangan energi yang terjadi pada sistem pada Gambar 5.1 di atas adalah: Entalpi reaktan = Entalpi produk + Q 55
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
Berdasarkan definisi yang diperoleh dari referensi [12], 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 _o ∑P n P h P = 0,167814 h f + ∆ h + 0,181096 h f + ∆ h + 0,091444 CO 2 CO 2
−
_ _o + 1,04782508 h + ∆ h f H 2O
_ _o h + ∆ h f 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
56
_
bernilai 0 ( h of = 0). Selain itu, entalpi pembentukan standar dari elemen-elemen yang bersifat stabil seperti N2, O2,dan H2 juga bernilai 0. Maka persamaan 3) menjadi:
∑n P
− _ h = 0,167814 P P ∆ h + 0,181096 CO 2 _ _o + 1,04782508 h f + ∆ h H 2O
_ _o h + ∆ h f + 0,091444 CO 2
_ ∆ 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 interpolasi pada T = 1200 K dari tabel A-23 [12] (terdapat pada lampiran C.5). Maka entalpi spesifik produk adalah: −
∑ n P h P = 0,167814 [(53848-9364)] + 0,181096 [-393520+(53848-9364)] + P
0,091444 [-241820+(44380-9904)] + 1,04782508 [(36777-8669)]
= -45252,1 kJ/kmol
Sedangkan entalpi spesifik reaktan diperoleh melalui persamaan: _ _ − _o _o h + ∆ h n h = 0,160854 + 0,05096 h + ∆ h R ∑R R f f CO H2 _ _ + 0,020242 h of + ∆ h + 0,167814 CH 4
_ _o h + ∆ h f CO 2
_ _ _o _o + 0,021583 h f + ∆ h + + 0,578547 h f + ∆ h O2 N2 _ _ _ _ + 0,124808 h of + ∆ h +0,46927808 h of + ∆ h O2 N2
57
−
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. _ − _o h + ∆ h n h = 0,160854 R ∑R R f + 0,05096 CO _ _o + 0,020242 h f + ∆ h CH 4
_ 0 + ∆ h H2
_ + 0,167814 0 + ∆ h CO2
_ _ + 0,021583 0 + ∆ h + 0,578547 0 + ∆ h O2 N2
Harga entalpi pembentukan standar untuk CO, dan CH4 diperoleh dari tabel A-25 [12] (terdapat pada lampiran C.3). Sedangkan entalpi spesifik untuk CO, N2, CO2, O2 dan H2O diperoleh melalui interpolasi pada T = 500 K dari tabel A-23 [12] (terdapat pada lampiran C.5). Sedangkan entalpi spesifik untuk H2 dan CH4 diperoleh melalui persamaan: −
−
∆ h = c p .∆ T −
Harga c p diperoleh dari tabel A-21 [12] (terdapat pada lampiran C.2). Untuk T = 500 −
K, c p untuk H2 dan CH4 adalah: −
cp H
= 29,26 kJ/kmol.K 2
−
c p CH = 45,31 kJ/kmol.K 4
Maka entalpi spesifik produk adalah:
58
∑n
−
R
h R = 0,160854 [-110530 + (14600-8669 ) ] + 0,05096 [29,26 (500-298)]
R
+ 0,020242 [-74850 + 45,31 (500-298)] + 0,167814 [(17678 - 9364)] + 0,021583 [(14770-8682)] + 0,578547 [(14581-8669)]
= -12902,7 kJ/kmol
Sehingga entalpi pembakaran gas hasil gasifikasi dalam basis mol adalah: −
−
−
h RP = ∑ n P h P − ∑ n R h R P
R
= -45252,1 – (-12902,7) kJ/kmol = -32349,4 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 = 29,2035 Maka entalpi pembakaran dalam basis massa adalah:
, ,
1107,72 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 [13]. (LHVgas) telah didapatkan dari data pengujian sebelumnya, yaitu LHVgas = 2532,6 kJ/kg
59
5.3.2
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
= mgasLHVgas = 0,01 [kg/s] . (2532,6) [kJ/kg] = 25,33 kW Namun daya yang dihasilkan ini bukan daya keluaran sebenarnya, karena
adanya energi panas yang terbuang (Qloss) pada pembakar (burner) yang diakibatkan oleh isolasi sistem yang tidak sempurna. Energi panas yang terbuang (Qloss) pada pembakar (burner) yang terjadi besarnya dapat diketahui dengan mengalikan besarnya entalpi pembakaran dengan laju aliran massanya. Pmaks
= mgashRP = 0,01[kg/s].(-11077,2)[kJ/kg] = -11,077 kW
Besarnya daya sebenarnya (Psebenarnya) adalah pengurangan dari daya gas (P) dengan energy panas yang terbuang (Qloss).
Psebenarnya
= Pmaks - Qloss = 25,33 kW - 11,077 kW = 14,253 kW
5.3.3
Efisiensi Pembakar (Burner) Dari hasil perhitungan di atas, kita dapat menentukan besarnya nilai efisiensi
pembakar (burner). Besarnya efisiensi pembakar (burner) adalah : !"#$!%&%'
()*+*,-.,/14,253 . 100% 56,3% (0-1) 25,33
Efisiensi pembakar (burner) adalah sebesar 56,3%
60
5.4
Analisa Secara umum, pembakar (burner) yang dihasilkan sudah cukup baik, ditandai
dengan adanya api biru. Tetapi efisiensi pembakar (burner) masih sangat kecil,yaitu 56,3%. Efisiensi ini dapat lebih ditingkatkan dengan menggunakan isolasi di sekeliling pembakar (burner) sehingga tidak ada panas yang terbuang percuma.
5.4.1
Perbandingan Hasil Pemodelan FLUENT dan Pengujian Dari hasil pengujian,didapatkan beberapa perbedaan dengan hasil dari
pemodelan FLUENT, diantaranya: 1. Pemodelan FLUENT tidak menunjukkan gejala backflow 2. Api pemodelan FLUENT selalu stabil Kondisi yang berbeda antara pemodelan FLUENT dan Pengujian adalah: 1. Adanya angin. 2. Pemodelan FLUENT menggunakan kecepatan blower 16 m/s, sedangkan pengujian hanya pada 14 m/s karena inverter rusak. 3. Dimensi antara pembakar (burner) FLUENT dan dalam pengujian memiliki perbedaan. 4. Pemodelan FLUENT mengasumsikan gas dan udara akan langsung menyala ketika sudah tercampur secara sempurna, padahal pembakaran baru akan terjadi jika ada pemantik. 5. Bentuk sambungan yang dilakukan dengan pengelasan, bukan dengan menggunakan sambungan.
Faktor arah angin dan kecepatan gas masuk dapat menjadi alasan terjadinya
backflow. Karena adanya arah angin yang melawan arah api, api terdorong ke belakang. Hal ini juga semakin didukung dengan kurangnya kecepatan blower bisa dipakai. Jika kecepatan angin yang melawan lebih besar dari hisapan blower terhadap udara dan gas masuk, maka backflow pun terjadi dan api menjadi tidak stabil. Ini dibuktikan juga ketika arah angin searah dengan arah api/tidak ada angin, api stabil. 61
Selain itu, ketidakstabilan api juga dapat diakibatkan dari faktor dimensi saluran karena dimensi saluran yang panjang dan besar dapat mengakibatkan laju aliran pada saluran menjadi lambat sehingga dapat dilawan oleh angin luar. Penyambungan saluran pipa yang dilakukan dengan las dan bukan dilakukan dengan sambungan siku (elbow) dapat membuat kecepatan sudah turun sebelum memasuki saluran pembakar (burner). Letak pemantik juga patut diperhitungkan karena mungkin saja pemantik terletak terlalu jauh sehingga udara dan gas sudah tidak tercampur dengan sempurna lagi ketika mau dipantik. Ada beberapa cara untuk menanggulangi hal ini,di antaranya: 1. Menyediakan inverter sehingga kecepatan blower dapat dijaga stabil. Dengan demikian, hisapan dari blower tidak akan kalah dengan hembusan angin. 2. Mengurangi diameter saluran atau memperpendek saluran. 3. Memperbaiki letak pemantik. 4. Memperbaiki bentuk sambungan.
5.4.2
Perbandingan Pembakar (Burner) Baru dengan Pembakar (Burner)
Acuan Jika dibandingkan, masing-masing pembakar (burner) memiliki keunggulan. Keunggulan pembakar (burner) baru adalah warna api yang biru dan memusar serta panjang. Hal ini membuktikan pembakaran yang terjadi adalah pembakaran yang sempurna, sedangkan pembakar (burner) acuan masih berwarna biru kemerahmerahan. Pencampuran yang dilakukan oleh pembakar (burner) baru dengan menggunakan swirler dan saluran pembakar (burner) yang panjang tenyata sudah cukup baik. Pembakar (burner) acuan memiliki keunggulan di bagian stabilitas api. Pada cuaca dan arah angin seperti apapun, pembakar (burner) acuan selalu dapat menghasilkan api. Tetapi pengujian pembakar (burner) acuan dilakukan dengan menggunakan inverter, sedangkan pada pengujian dengan pembakar baru tidak. Jadi, sebaiknya pembakar (burner) yang baik dapat dihasilkan dengan menggabungkan 62
kedua hal tersebut, yaitu pembakar (burner) baru yang dipasangi inverter sehingga kecepatan masuk dapat diatur. Selain itu, jika dibandingkan dengan gasifikasi sekam padi pada pembakar (burner) acuan, didapatkan perbedaan efisiensi sebesar 23,3%. Selain itu,terjadi peningkatan daya pembakar sebesar 5,905 kW. Hal ini menunjukkan kinerja pembakar (burner) baru lebih baik dan efisien dibandingkan pembakar (burner) acuan.
63
