RANCANG BANGUN REAKTOR GASIFIKASI TIPE FLUIDIZED BED UNTUK UMPAN ARANG SEKAM
INDAH LESTARI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Rancang Bangun Reaktor Gasifikasi Tipe Fluidized Bed untuk Umpan Arang Sekam adalah benar karya saya dengan arahan dari dosen pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Desember 2014 Indah Lestari NIM F14100067
ABSTRAK INDAH LESTARI. Rancang Bangun Reaktor Gasifikasi Tipe Fluidized Bed untuk Umpan Arang Sekam. Dibimbing oleh LEOPOLD OSCAR NELWAN. Gasifikasi tipe fluidized bed memilki efisiensi yang baik, karena luas permukaan kontak lebih besar sehingga reaksi berlangsung lebih cepat. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menentukan dimensi dari reaktor, melakukan desain proses melalui simulasi menggunakan perangkat lunak Aspen Plus 23.0, dan melakukan uji kenerja. Dimensi reaktor sebagai berikut: tinggi keseluruhan 1.3 m, diameter reaktor 0.2 m, diameter lubang masukan umpan 0.54 m, tinggi pipa dalam 0.877 m, diameter pipa dalam 0.06 m, dan tinggi corong 0.287m. Dari desain proses dihasilkan senyawa sebagai berikut: 0.031 kmol jam-1 H2, 0.012 kmol jam-1 O2, 0.111 kmol jam-1 N2, S <0.001 kmol jam-1, 0.059 kmol jam-1 CO, 0.035 kmol jam-1 C, dan sangat kecil H2O dan CO2. Hasil pengujian reaktor dengan menggunakan pasir, perubahan tekanan lebih tinggi karena densitas dari pasir tersebut, gasifikasi tidak terjadi dikarenakan oleh slagging, dan penurunan temperatur yang menyebabkan gas tidak kontinyu. Sedangkan pengujian tanpa menggunakan pasir, temperatur dari proses gasifikasi fluktuatif, dan gas yang dihasilkan tidak stabil. Kata kunci: dimensi reaktor, fluidized bed, senyawa, simulasi Aspen Plus 23.0
ABSTRACT INDAH LESTARI. Design of Fluidized Bed Gasifier for Rice Husk Charcoal (RHC). Supervised by LEOPOLD OSCAR NELWAN. Fluidized bed gasifier has a good efficiency because of contact surface that make the reaction faster. The objectives of this research are to determine dimention of reactor, to simulat proses design with Aspen Plus 23.0, and to test the performance. Designed reactor dimention are overall height of reactor 1,3 m, diameter of reactor 0,2 m, diameter of feeder 0,54 m, height of inner pipe 0,877 m, diameter of inner pipe 0,06 m and height of cone 0,287 m. Component results of simulated process design are 0,031 kmol jam-1 H2, 0,012 kmol jam-1 O2, 0,111 kmol jam-1 N2, S <0.001 kmol jam-1, 0,059 kmol jam-1 CO, 0,035 kmol jam-1 C, and little H2O and CO2. Result of performance test with sand, the pressure was unstable because of sand’s density, gasification was interrupted by slagging and decreased temperature caused uncontinous gas. For test without sand, the temperature was unstable and produced gas unsteady Keywords: reactor dimention, fluidized bed, component, Aspen Plus 23.0 simulations
RANCANG BANGUN REAKTOR GASIFIKASI TIPE FLUIDIZED BED UNTUK UMPAN ARANG SEKAM
INDAH LESTARI
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
Judul Skripsi : Rancang Bangun Reaktor Gasifikasi Tipe Fluidized Bed untuk Umpan Arang Sekam Nama : Indah Lestari NIM : F14100067
Disetujui oleh
Dr Leopold O. Nelwan, STP, MSi Pembimbing Akademik
Diketahui oleh
Dr Ir Desrial, MEng Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA Puji dan syukur dipanjatkan ke hadirat Allah SWT, atas limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini. Dengan judul penelitian Rancang Bangun Reaktor Gasifikasi Tipe Fluidized Bed untuk Umpan Arang Sekam, penelitian ini dilaksanakan pada bulan April – September 2014. Penelitian ini didanai oleh program Kerjasama Kementrian Penelitian dan Pengembangan Nasional (KKP3N) dengan nomor kontrak 54/PL.220/I.1/3/2014 K. dengan judul “Desain Sistem Pengeringan Gabah Mandiri Energi Menggunakan Sistem Heat Pump Absorpsi dan Pengoperasian Terkendali Berenergi Gasifikasi Sekam” pada tahun 2014. Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Leopold O. Nelwan, STP, MSi selaku dosen pembimbing. Disamping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada ayah, ibu, serta seluruh keluarga, atas segala doa dan dukungan yang telah diberikan. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada teknisi Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian (Pak Harto) dan teknisi Laboratorium Lapang Siswadhi Supardjo (Pak Darma dan Mas Firman) yang telah banyak membantu penulis dalam melakukan penelitian, juga teman – teman seperjuangan (Teknik Mesin dan Biosistem 47), serta untuk kakak – kakak yang membantu penulis dalam penyelesaian penelitian ini. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Desember 2014 Indah Lestari
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
vii
DAFTAR GAMBAR
vii
DAFTAR LAMPIRAN
viii
DAFTAR SIMBOL
ixiii
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
2
Tujuan Penelitian
3
TINJAUAN PUSTAKA
3
Sekam Padi
3
Gasifikasi
4
Konsep Desain
12
Scrubber
13
Aspen Plus 23. 0
14
METODE PENELITIAN
16
Waktu Pelaksanaan Penelitian
16
Alat dan Bahan
16
Metode
18
HASIL DAN PEMBAHASAN
22
Simulasi Aspen Plus 23. 0
22
Dimensi Reaktor Gasifikasi
25
Pengujian Reaktor Gasifikasi
27
SIMPULAN
37
SARAN
38
DAFTAR PUSTAKA
38
RIWAYAT HIDUP
46
DAFTAR TABEL 1 Karakteristik sekam padi (Grover 1996) 2 Jenis – jenis unggun dan sifat hidrodinamikanya (Priambodo dan Tricahyandaru 2008) 3 Aliran fluidized bed gasifier (Latif 1999) 4 Reaksi yang terlibat pada proses gasifikasi (Chen et al. 2000) 5 Kondisi operasi gasifikasi 6 Data kandungan proximate dan ultimate arang sekam (Husni et al. 2012) 7 Nilai yield 8 Fluidization velocity dan tinggi reaktor keseluruhan 9 Data hasil simulasi 10 Pengujian tekanan menggunakan pasir 11 Data pengujian tekanan tanpa menggunakan pasir 12 Data awal pengujian dengan menggunakan pasir 13 Data temperatur dan waktu selama proses pengujian dengan menggunakan pasir 14 Data hasil pengujian tanpa menggunakan pasir 15 Data temperatur dan waktu selama proses pengujian tanpa pasir
3 9 11 18 19 23 23 25 26 29 29 30 31 35 35
DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Morfologi sekam (Grist 1959) Reaktor gasifikasi updraft (Priambodo dan Tricahyandaru 2008) Reaktor gasifikasi downdraft (Priambodo dan Tricahyandaru 2008) Reaktor gasifikasi twin-fire (Priambodo dan Tricahyandaru 2008) Reaktor gasifikasi crossdraft (Priambodo dan Tricahyandaru 2008) Fluidized bed gasifier (Priambodo dan Tricahyandaru 2008) Reaktor gasifikasi entrained bed (Tricahyandaru dan Priambodo 2008) Konfigurasi sistem circulating bed (Latif 1999) Korelasi Zen & Weil untuk perhitungan TDH (Martinez dan Petro 2007) Reaktor yield (Aspen Technology Inc 2005) Reaktor equil (Aspen Technology Inc 2005) Reaktor gibbs (Aspen Technology Inc 2005) Skema alur penelitian Reaktor gasifikasi Autonic recorder Blower Arang sekam Pasir Langkah–langkah perhitungan teknik Proses pemantikan terhadap gas Skema flow-sheet of Aspen Plus 23. 0 Pola aliran dalam siklon aliran balik (Stassen 1985)
4 6 6 7 7 8 9 11 13 14 15 15 16 17 17 17 17 18 20 22 25 27
23 24 25 26 27 28 29
Desain reaktor gasifikasi secara keseluruhan Perubahan tekanan tanpa pasir (-◊-) dan menggunakan pasir Nyala api besar (pengujian dengan pasir) Nyala api kecil (pengujian dengan pasir) Asap (pengujian dengan pasir) Slagging dari pasir Perubahan tinggi kolom air pada bagian bawah (H1) (-◊-) dan atas
28 30 32 32 33 33
30 31 32 33 34
(H2) (-o-) reaktor (menggunakan pasir) Residu arang sekam dan abu Nyala api besar (pengujian tanpa pasir) Nyala api kecil (pengujian tanpa pasir) Asap (pengujian tanpa pasir) Perubahan tinggi kolom air pada bagian bawah (H1) (-◊-) dan atas
34 34 36 36 37
(H2) (-o-) reaktor (tanpa menggunakan pasir)
37
DAFTAR LAMPIRAN 1 Tampilan perangkat lunak Aspen Plus 23. 0 2 3 4 5 6
Simulasi Desain reaktor gasifikasi Tahapan simulasi menggunakan Aspen Plus 23. 0 Contoh perhitungan dimensi reaktor Contoh perhitungan dimensi reaktor
DAFTAR SIMBOL 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Umf (minimum fluidization velocity (m/s)) (diameter rata – rata partikel (m)) densitas partikel (kg/m3) (densitas udara pada temperatur dan tekanan dari gasifier (approximatetly 750o C dan 101,325 kPa)) g (kecepatan gravitasi (m/s2)) ε (porositas partikel) Ø (sphericity) µ (viskositas udara pada temperatur dan tekanan dari gasifier (approximatetly 750o C dan 101,325 kPa)) Ut (terminal particle velocity (m/s)) H (complete fluidization height or expanded bed (m)) Hmf (tinggi minimum fludisasi (m)) Uf (fluidization velocity during the gasification (m)) Ht (overall container height (m)) TDH (critical height recovery particle (m)) K or A (kinetic factor) T (temperatur)
40 41 42 43 44 45
17 18 19 20 21 22 23 24 25
Ea (energi aktivasi) H2 (hidrogen) O2 (oksigen) N2 (nitrogen) S (sulfur) H2O (air) C (karbon) CO (karbon monoksida) CO2 (karbon dioksida)
1
PENDAHULUAN Latar Belakang Penggunaan energi terbarukan sebagai alternatif sudah merupakan suatu keharusan karena cadangan minyak bumi di Indonesia semakin menitipis. Padahal jumlah penduduk meningkat terus sehingga konsumsi bahan bakar minyak terus meningkat. Jika hal ini dibiarkan terus menerus, Indonesia akan mengalami krisis energi berkepanjangan. Untuk mendapatkan sumber energi terbarukan, usaha yang terus menerus dilakukan dalam rangka mengurangi emisi CO2 guna mencegah terjadinya pemanasan global telah mendorong penggunaan energi biomasa sebagai pengganti energi bahan bakar fosil seperti minyak bumi dan batu bara. Bahan bakar biomassa merupakan energi paling awal yang dimanfaatkan manusia dan dewasa ini menempati urutan keempat sebagai sumber energi yang menyediakan sekitar 14% kebutuhan energi dunia (Suprapta dan Winaya 2008). Indonesia sebagai negara agraris yang memiliki sumber daya alam yang melimpah, dari sektor pertanian, perkebunan, dll, yang menghasilkan limbah. Beberapa limbah yang dihasilkan dari sektor pertanian adalah sekam, batok kelapa, serbuk gergaji, dll. Salah satu pemanfaatan limbah biomassa sebagai sumber energi adalah melalui proses gasifikasi. Gasifikasi merupakan salah satu upaya mengkonversi batubara atau biomassa menjadi bahan bakar gas. Gas yang dihasilkan ini merupakan campuran dari gas hidrogen dan karbon monoksida. Komposisi dari gas yang dihasilkan proses gasifikasi tergantung pada bahan baku yang digunakan, temperatur operasi, pengaruh dari uap air. Pada temperatur tinggi, gas yang dihasilkan banyak mengandung karbon dioksida, sedangkan pada temperatur rendah banyak dihasilkan gas karbon monoksida. Air dalam bahan baku atau uap air yang ditambahkan ke dalam reaktor dapat meningkatkan proporsi hidrogen dalam produk gas. Bila dipergunakan air atau uap air berlebihan maka temperatur akan turun dan terbentuk lebih banyak karbon dioksida. Untuk mengembangkan proses dekomposisi termal biomassa yang efisien dan bersih dari polutan perlu diperhatikan jenis reaktor yang digunakan, jenis biomassa, jenis pereaksi serta kondisi operasi. Secara umum proses-proses tersebut dapat digolongkan menjadi empat jenis proses gasifikasi, tergantung bagaimana bahan baku dapat dikontakkan dengan oksigen. Untuk melangsungkan gasifikasi, diperlukan suatu reaktor gasifikasi. Adapun tiga jenis reaktor gasifikasi yaitu reaktor gasifikasi fixed bed, fluidized bed, dan entrained bed. Penelitian ini bertujuan untuk merancang bangun reaktor gasifikasi (gasifier) dengan bahan umpan arang sekam. Reaktor gasifikasi yang didesain adalah reaktor gasifikasi tipe fluidized bed. Pemilihan reaktor ini dikarenakan umpan yang digunakan memiliki ukuran partikel yang kecil, selain itu beberapa kelebihan dari reaktor tersebut, berupa kemampuan memproses bahan bakar yang memiliki kandungan abu tinggi atau bahan bakar yang memiliki kualitas rendah. Khususnya abu dengan titik lebur tinggi, kontak antara padatan dan gas sangat baik sehingga memiliki efisiensi yang cukup tinggi, luas permukaan lebih besar sehingga reaksi berlangsung dengan cepat, temperatur dapat dikontrol dengan perbandingan antara udara dan bahan bakar sehingga kondisi operasi mudah
2
diubah-ubah. Sedangkan kekurangan yang dimiliki dari reaktor gasifikasi tipe fluidized bed antara lain: gas yang dihasilkan kandungan tar tinggi (> 5 mg m-3) dan tidak cocok untuk umpan yang memiliki kandungan kadar air yang tinggi.
Perumusan Masalah Arang sekam padi merupakan hasil olahan lanjutan dari sekam padi, arang sekam dapat dimanfaatkan untuk sumber energi, yaitu melalui proses gasifikasi. Tipe reaktor gasifikasi yang dirancang bangun adalah fluidized bed, dalam proses rancang bangun diperlukan metode simulasi untuk penentuan dimensi dan desain dari reaktor tersebut. Simulasi dilakukan untuk memprediksi senyawa-senyawa yang dihasilkan dari proses gasifikasi. Perancangan dari desain gasifikasi tipe ini mengacu pada desain dari Nelwan et al. (2014). Reaktor gasifikasi ini memiliki sudut kemiringan pada bagian bawah reaktor sekitar 45o dan pada bagian tengah terdapat pipa yang berfungsi tempat penyaluran pengeluaran gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi, pipa ini dihubungkan dengan siklon. Pipa pada bagian tengah reaktor ini dipasangkan dalam keadaan menggantung, diatas zona oksidasi dan reduksi dari proses gasifikasi. Dalam perancangan sebuah reaktor diperlukan simulasi menggunakan perangkat lunak Aspen Plus 23.0. Aspen Plus 23.0 adalah paket perangkat lunak simulasi untuk proses kimiawi yang bersifat kinetik dan non kinetik, dari setiap proses kinetik dan non kinetik memiliki desain model yang berbeda, yaitu untuk model proses kinetik meliputi Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR), Reaktor Plug (R. Plug), Reaktor Batch (R. Batch), sedangkan untuk model proses yang non kinetk meliputi Reaktor Yield (R. Yield), Reaktor Stoic (R. Stoic), Reaktor Equil (R. Equil), Reaktor Gibbs (R. Gibbs). Proses kinetik adalah proses reaksi yang mempertimbangkan energi aktivasi, konstanta kinetik faktor dan dimensi reaktor yang mempengaruhi hasil reaksi. Sedangkan proses non kinetik adalah reaksi yang mengabaikan energi aktivasi, konstanta kinetik faktor dan dimensi reaktor. Perangkat lunak Aspen Plus 23.0 digunakan untuk memprediksi reaksi yang akan terjadi atau berlangsung dari suatu reaksi dalam sebuah reaktor. Dalam perangkat lunak Aspen Plus 23.0 untuk proses gasifikasi terbagi dalam beberapa reaktor yang besifat non kinetik dan kinetik. Pada proses gasifikasi menggunakan Aspen Plus 23.0 ini berdasarkan model termodinamika dan model persamaan kimia, dan model matematika yang berfungsi memprediksi kinerja dari proses. Pada pemodelan yang akurat dari sifat termodinamika sangat penting dalam pemisahan campuran non-ideal, dan perangkat lunak Aspen Plus 23.0 memiliki basis data parameter regresi yang besar. Pada umumnya perangkat lunak Aspen Plus 23.0 dapat menangani proses yang sangat kompleks misalnya kolom sistem pemisahan yang banyak, reaktor kimia, distilasi senyawa kimia reaktif, dan bahkan larutan elektrolit seperti asam mineral dan larutan natrium hidroksida.
3
Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian adalah 1. Menentukan dimensi yang minimum untuk laju yang terkait dari reaktor tipe fluidized bed dan melakukan desain proses melalui simulasi menggunakan perangkat lunak Aspen Plus 23.0, dengan batasan-batasan dengan laju optimum berupa temperatur dan tekanan. 2. Mengkontruksi reaktor yang telah didesain dan melakukan uji kinerjanya.
TINJAUAN PUSTAKA Sekam Padi Sekam padi merupakan lapisan keras yang meliputi kariopis yang terdiri dari dua belahan yang disebut lemma dan palena yang saling bertautan. Sel-sel sekam yang telah masak mengandung lignin dan silika dalam kosentrasi yang tinggi, untuk morfologi dari sekam dapat dilihat pada Gambar 1. Kandungan silika diperkirakan berada dalam lapisan luar sehingga permukaannya keras dan sulit menyerap air, mempertahankan kelembapan, serta memerlukan waktu yang lama untuk mendekomposisinya. Sekam padi dikategorikan sebagai biomassa yang dapat digunakan untuk berbagai kebutuhan seperti bahan baku industri, pakan ternak, dan energi atau bahan bakar (Assma 2010). Sekam padi memiliki kerapatan jenis (bulk density) 125 kg m-3, dengan nilai kalor 3 300 kkal kg-1 sekam. Proses penggilingan gabah akan menghasilkan 16 - 28% sekam (Nugraha dan Setiawati 2006). Karakteristik sekam padi dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1 Karakteristik sekam padi (Grover 1996) Parameter Bentuk Warna Densitas Ukuran Kadar air Fix karbon Volatile matter Abu Karbon Hidrogen Oksigen Nitrogen Sulfur
Satuan kg m-3 mm % % % % % % % % %
Nilai Lonjong Kuning kecoklatan 125 2x5 8.9 19.9 60.6 19.5 38.1 4.7 29.3 1.5 0.1
4
Dengan komposisi kandungan kimia seperti tersebut pada Tabel 1, sekam dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan diantaranya: sebagai bahan baku pada industri kimia, terutama kandungan zat kimia furfural, zat kimia furfural adalah senyawa aldehid yang memiliki struktur fural dengan rumus kimia C5H4O2. Zat kimia furfural ini dapat digunakan sebagai bahan baku berbagai industri kimia, sebagai bahan baku pada industri bahan bangunan, terutama kandungan silika (SiO2) yang dapat digunakan untuk campuran pada pembuatan semen portland, bahan isolasi, huskboard dan campuran pada industri bata merah, sebagai sumber energi panas pada berbagai keperluan manusia, kadar selulosa yang cukup tinggi dapat memberikan pembakaran yang merata dan stabil (Nugraha dan Setiawati 2006).
Gambar 1 Morfologi sekam (Grist 1959) Gasifikasi Proses gasifikasi sangat bergantung pada reaksi kimia yang terjadi pada temperatur di atas 700 oC (Ferdian 2007). Dimana pada umumnya gasifikasi adalah proses pengubahan materi yang mengandung karbon misalnya batubara, minyak bumi, maupun biomassa ke dalam bentuk karbon monoksida (CO) dan hidrogen (H2) dengan mereaksikan bahan baku yang digunakan pada temperatur tinggi dengan jumlah oksigen yang diatur. Tujuan dari proses ini adalah untuk mengubah unsur-unsur pokok bahan bakar yang digunakan ke dalam bentuk gas yang lebih mudah terbakar, sehingga hanya menyisakan abu dan sisa-sisa material yang tidak terbakar. Reaksi–reaksi dari proses gasifikasi sangat terkait erat dengan kadar karbon yang terdapat dalam bahan bakar tersebut. Pada setiap bahan bakar mempunyai unsur H, O, N, dan S dalam persentase yang berbeda dari setiap bahan bakar. Produksi syngas dari biomassa melalui dekomposisi termal (gasifikasi) merupakan proses alternatif sebagai pengganti dari proses pembakaran langsung yang biasa digunakan dalam sistem pembangkitan daya. Syngas mempunyai komposisi sekitar 18 – 20% H2, 18 - 20% CO, 2 – 3% CH4, 12% CO2, 2.5% H2O dan sisanya N2, dengan nilai kalor gas, sekitar 4700 – 5000 kJ Nm-3. Jika proses dekomposisi biasa diubah menggunakan teknik dekomposisi termal menggunakan uap air maka komposisi gas berubah menjadi CO 50% dan H2 40%, serta 10%
5
gas-gas lain (metan, karbon dioksida, nitrogen dan ketakmurnian). Gas yang dihasilkan mempunyai kualitas yang lebih tinggi dengan nilai kalor antara 8 000 – 9 000 kJ Nm-3. Gas hasil proses gasifikasi dapat digunakan langsung sebagai bahan bakar atau bahan baku kimia untuk proses pembuatan biofuel. Namun tar yang terbentuk sebagai hasil samping dari dekomposisi termal atau pirolisa bahan selulosa sangat mengganggu lingkungan. Untuk mengatasi pembentukan tar yang berlebihan tersebut berbagai upaya telah dilakukan, diantaranya penggunaan jenis reaktor downdraft, reaktor dengan unggun terfluidisasi, penggunaan katalis dan melakukan penambahan uap pada kondisi operasi. Jadi untuk mengembangkan proses dekomposisi termal biomassa yang efisien dan bersih dari polutan perlu diperhatikan jenis reaktor yang digunakan, jenis biomassa, jenis pereaksi serta kondisi operasi. Dinamika dari ketertarikan antara parameter-parameter tersebut mempunyai hubungan yang kompleks sehingga diperlukan studi simulasi sebelum dilakukan tahap perancangan alat. Proses gasifikasi dapat diklasifikasikan sebagai berikut antara lain: 1 Temperatur dan tekanan operasinya, 2 Gas-gas pereaksinya (reaktan), 3 Gas-gas produk 4 Pengaturan secara fisik bahan-bahan reaksi, 5 Reaksi kinetik, 6 Dan alamiah dari abu yang keluar. Secara umum proses-proses tersebut dapat digolongkan menjadi empat zona yang terdapat dalam proses gasifikasi, yaitu pengeringan, pirolisis, oksidasi dan reduksi. Untuk melangsungkan gasifikasi, diperlukan suatu reaktor gasifikasi. Ada tiga jenis reaktor gasifikasi yaitu reaktor gasifikasi fixed bed, fluidized bed, dan entrained bed. Reaktor Gasifikasi Fixed Bed Ciri khas reaktor gasifikasi ini adalah perbedaan temperatur pada berbagai tempat di dalam reaktor gasifikasi dan beroperasi pada tekanan tinggi. Temperatur maksimum yang dapat dicapai pada reaktor gasifikasi jenis ini adalah 930 – 1 430 o C. Suhu keluaran yang dihasilkan dari reaktor gasifikasi jenis ini berkisar antara 315 – 550 oC dengan residence time 1 – 2 jam. Karakteristik dari reaktor gasifikasi jenis ini adalah rendahnya temperatur gasifikasi dan gas hasil gasifikasi sehingga membutuhkan oksigen yang rendah, serta menghasilkan kandungan metan yang tinggi. Reaktor gasifikasi jenis ini sangat mudah dibuat dan beroperasi, tetapi mahal untuk ukuran kapasitas yang relatif kecil. Berdasarkan aliran udara yang dipasok ke dalam kolom bahan bakar, fixed bed dibagi menjadi empat jenis yaitu reaktor gasifikasi tipe updraft, downdraft, twin-fire, dan crossdraft. Reaktor gasifikasi updraft memilki kekurangan dan kelebihan. Kekurangan yang dimiliki reaktor gasifikasi updraft adalah tingginya jumlah uap tar yang terkandung di dalam gas keluaran dan kemampuan gas yang dihasilkan membawa muatan rendah. Selain itu ada kemungkinan terjadinya channeling, sehingga distribusi panas tidak merata dan dapat menurunkan efisiensi reaktor gasifikasi. Sedangkan keuntungan pemakaian reaktor gasifikasi updraft adalah mekanismenya sederhana, arang habis terbakar, suhu keluaran rendah, dan
6
efisiensi tinggi, untuk gambar dan zona yang terdapat pada reaktor gasifikasi updraft dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 Reaktor gasifikasi updraft (Priambodo dan Tricahyandaru 2008) Reaktor gasifikasi downdraft dirancang untuk membatasi kandungan minyak dan tar yang terbawa bersama gas produser. Pada reaktor gasifikasi downdraft, udara dimasukkan ke dalam aliran bahan bakar padat pada bagian atas zona oksidasi. Aliran udara ini searah dengan aliran bahan bakar yang masuk ke dalam reaktor gasifikasi. Bahan bakar yang dimasukkan pada bagian atas reaktor gasifikasi. Bahan bakar tersebut akan mengalami proses pengeringan dan pirolisis akibat panas yang dihasilkan pada reaksi oksidasi. Adapun kekurangan dari reaktor gasifikasi jenis ini adalah rendahnya efisiensi keseluruhan akibat rendahnya pertukaran panas dalam sistem dan kesulitan dalam menangani kelembaban dan kadar abu yang tinggi. Sedangkan kelebihan menggunakan reaktor gasifikasi jenis ini antara lain adanya kemungkinan menghasilkan gas bebas tar sehingga masalah lingkungan yang timbulkan lebih kecil dari pada reaktor gasifikasi updraft, perolehan tar dan minyak yang dihasilkan pada reaktor gasifikasi downdraft 10% lebih sedikit terhadap perolehan tar dan minyak yang dihasilkan updraft gasifier, waktu yang dibutuhkan untuk penyalaan bahan bakar dan pengoperasian sistem pada kondisi optimal sekitar 20 – 30 menit. Waktu tersebut lebih singkat jika dibandingkan dengan waktu yang dibutuhkan oleh reaktor gasifikasi updraft, pada Gambar 3 dapat dilihat bahwa pada reaktor gasifikasi downdraft memiliki daerah cekikan, daerah cekikan tersebut berada pada daerah combustion.
Gambar 3 Reaktor gasifikasi downdraft (Priambodo dan Tricahyandaru 2008)
7
Reaktor gasifikasi twin-fire memiliki dua zona reaksi. Pada zona yang pertama terjadi proses pengeringan, karbonisasi pada temperatur rendah, dan perengkahan gas. Sedangkan pada zona kedua terjadi proses gasifikasi arang secara permanen. Temperatur gas berkisar antara 460 - 520 oC. Reaktor gasifikasi twin-fire memproduksi gas bersih yang cukup baik. Berikut ini reaktor gasifikasi twin-fire dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4 Reaktor gasifikasi twin-fire (Priambodo dan Tricahyandaru 2008) Reaktor gasifikasi crossdraft merupakan jenis reaktor gasifikasi yang khusus dirancang untuk arang. Reaktor gasifikasi ini tidak ideal, reaktor gasifikasi jenis ini memiliki beberapa kekurangan, diantaranya adalah: proses hanya ditujukan untuk arang kualitas tinggi, temperatur gas keluaran reaktor gasifikasi tinggi, CO2 yang tereduksi rendah, dan kecepatan gas tinggi. Hal ini disebabkan oleh desain reaktor gasifikasi crossdraft yang penempatan penyimpanan abu, zona pembakaran dan pereduksiannya di tempatkan terpisah, bagian tersebut berada pada bagian bawah reaktor, hal ini dapat pada Gambar 5.
Gambar 5 Reaktor gasifikasi crossdraft (Priambodo dan Tricahyandaru 2008) Reaktor Gasifikasi Fluidized Bed Reaktor gasifikasi jenis ini menggunakan media yang terdiri dari inert atau arang atau kombinasi keduanya. Inert yang digunakan berfungsi sebagai pengatur panas agar temperatur operasi tetap, selain itu fungsi pasir adalah untuk menahan agar umpan tidak mudah melayang keatas sebelum proses gasifikasi berlangsung sehingga dengan adanya pasir akan terbentuk gelembung-gelembung udara di dalam reaktor tersebut. Pada reaktor gasifikasi jenis ini, bahan bakar yang
8
digunakan berupa padatan yang berukuran kurang dari 8 mesh (0.3 – 3 mm). Bahan baku tersebut dimasukkan pada bagian atas atau langsung pada unggun kemudian dialirkan dengan bantuan gas sehingga bergerak seperti fluida dan membentuk unggun fluidized. Pencampuran bahan bakar dan cepatnya perpindahan panas pada bahan bakar akibat fluidized menyebabkan temperatur di dalam reaktor gasifikasi seragam. Gas (campuran steam dan oksigen atau udara) yang digunakan dialirkan dari bagian bawah unggun. Laju aliran gas yang digunakan sekitar 0.3 – 0.6 m s-1. Hal ini dimaksudkan untuk menjaga kondisi unggun agar selalu mengalami fluidized. Sedangkan abu yang dihasilkan diambil dari bagian bawah reaktor gasifikasi dan didinginkan oleh umpan gas yang masuk. Sebelum bahan bakar dimasukkan ke dalam reaktor gasifikasi, unggun dipanaskan dengan pemanasan luar hingga mencapai temperatur sekitar 500 oC. Temperatur keluaran dari reaktor gasifikasi ini berkisar antara 700 – 900 oC. Residen time gasifier adalah waktu yang diperlukan umpan agar umpan mengalami proses gasifikasi. Residen time gasifier jenis ini berkisar antara 5 – 50 detik dan beroperasi pada temperatur konstan, yaitu 760 – 1 040 oC. Temperatur tinggi tersebut dimaksudkan untuk mencegah terjadinya aglomerasi dan pembentukan kerak. Reaktor gasifikasi jenis ini mudah dibuat, tetapi pengoperasiannya memerlukan pengendalian yang cermat, terutama pengaturan laju aliran udara dan kebutuhan oksigen dalam proses gasifikasi. Reaktor gasifikasi fluidized bed ini memiliki beberapa kelebihan, antara lain: kemampuan memproses bahan bakar yang memiliki kandungan abu tinggi (bahan kualitas rendah), khususnya abu dengan titik lebur tinggi, kontak antara padatan dan gas sangat baik (efisien), luas permukaan lebih besar sehingga reaksi berlangsung lebih cepat, temperatur dapat dikontrol dengan perbandingan antara udara dan bahan bakar sehingga kondisi operasi mudah diubah-ubah. Sedangkan kekurangan yang dimiliki reaktor gasifikasi fluidized bed antara lain: gas yang dihasilkan kandungan tarnya tinggi (> 5 mg m-3) dan tidak cocok untuk umpan yang memiliki kadar air yang tinggi. Berikut ini gambaran fluidized bed gasifier dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6 Fluidized bed gasifier (Priambodo dan Tricahyandaru 2008) Pemilihan reaktor gasifikasi berdasarkan apek penting dalam pemodelan dan perancangan yaitu hidrodinamika. Hidrodinamika adalah efektivitas dari pergerakan, interaksi gas dan partikel di dalam reaktor (Basu 2006). Berdasarkan pada proses kontak gas-padatan serta kecepatan gas di dalam unggun, maka jenisjenis unggun dibedakan dari kecepatan gas serta kemampuan untuk
9
mempertahankan temperatur yang merata (uniform) secara keseluruhan selama proses. Sifat dari hidrodinamika pada setiap unggun dapat dilihat pada Tabel 2. Reaktor Gasifikasi Entrained Bed Reaktor gasifikasi entrained bed merupakan bejana horizontal yang beroperasi pada tekanan atmosfer atau sedikit lebih tinggi dari tekanan atmosferik. Pengoperasian pada tekanan tinggi menghasilkan kandungan tar dan minyak dalam gas hasil produksi sedikit atau tidak ada sama sekali. Reaktor gasifikasi jenis ini dapat dioperasikan pada temperatur rendah untuk menjaga abu agar tetap dalam keadaan padatan sehingga abu yang dihasilkan berbentuk lelehan cair. Bahan baku yang digunakan sebagai bahan bakar reaktor gasifikasi entrained bed harus berukuran sangat kecil (0.1 mm) dan homogen. Bahan bakar tersebut dimasukkan ke dalam gasifikasi bersama dengan media penggasifikasi (oksigen dan steam) dengan kondisi tertentu sehingga terbentuk partikel-partikel, untuk gambar entrained bed dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7 Reaktor gasifikasi entrained bed (Priambodo dan Tricahyandaru 2008) Tabel 2 Jenis – jenis unggun dan sifat hidrodinamikanya (Priambodo dan Tricahyandaru 2008) Sifat
Packed bed
Fast bed
Stoker fired
Fluidized bed Bubbling
Aplikasi
Diameter partikel rata-rata (mm)
<300
0.03 – 3
0.05 – 0.5
0.02 – 0.08
Kecepatan gas 1–3 dalam zona pembakaran (m s-1)
0.5 – 2.5
4–6
15 – 30
Kecepatan fluidisasi terhadap kecepatan terminal (U/Ut)
0.3
2
40
0.01
Circulating
Pneumatic transport Pulverized coal fired
10
Tabel 2 Jenis – jenis unggun dan sifat hidrodinamikanya Priambodo dan Tricahyandaru 2008) (lanjutan) Sifat
Packed bed
Fluidized bed
Fast bed
Pneumatic transport
Gerakan gas
ke atas
ke atas
ke atas
ke atas
Pencampuran gas
Plug flow
Dua fasa
Plug flow tersebar (dispersed plug flow)
Plug flow
Gerakan padatan
Statis
Dinamis
Dinamis
Dinamis
Pencampuran padatan-padatan
-
Terjadi
Terjadi
Terjadi
Kehampaan
0.4 – 0.5
0.5 – 0.85
0.85 – 0.99
0.98 – 0.998
Gradasi temperatur
Tinggi
Rendah
Rendah
Konstan
Koefisien perpindahan panas unggun ke permukaan (W m-2K)
50 – 150
200 – 550
100 – 200
500 – 100
(-): Tidak terjadi pencampuran antara padatan-padatan
Circulating Fluidized Bed Desain circulating fluidized bed berdasarkan prinsip bahwa char yang diproduksi dari circulating gasifier yang akan dibakar terpisah didalam reaktor yang akan menghasilkan panas yang dibutuhkan dalam proses gasifikasi, hal ini dapat dilihat pada Gambar 8. Pada umumnya biomassa merupakan bahan bakar yang digunakan, bahan bakar yang digunakan akan dimasukkan kedalam fluidized bed melalui bagian atas dari gasifier tersebut. Dimana pada proses gasifikasi ini menggunakan uap yang dialirkan melalui windbox 2. Arang yang tersisa bersama-sama dengan material yang lain akan turun ke bagian bawah dari reaktor. Bahan bakar yang berupa padatan akan mengalami fluidized oleh uap, kemudian bahan bakar akan terbawa ke bagian combustor, dimana bahan bakar akan terbakar di dalam combustor. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 8.
11
Gambar 8 Konfigurasi sistem circulating bed (Latif 1999) Komposisi biomassa mempengaruhi proses fluidisasi yang terjadi di dalam reaktor. Pada umumnya kandungan yang terdapat pada abu kering adalah 51% karbon, 6% hidrogen, 43% oksigen dan kelembaban sekitar 20% dari berat total. Adapun tabel aliran dari fluidized bed gasifier dapat dilihat pada Tabel 3 berikut ini. Tabel 3 Aliran fluidized bed gasifier (Latif 1999) Stream Komposisi
Mass flow (kg jam-1) Temperatur (oC)
Biomassa 280 kg C 33 kg H 236 kg O
Gasifier Steam
137 kg H2O (l) 686
303 kg H2O (g) 303
Produk gas 27 kg H2 33 kg CH4 146 kg CO 301 kg CO2 27 kg Tar 378 kg H2O 912
25
750
828
Stream Komposisi
Udara 340 kg O2 1 190 kg N2
Mass flow (kg jam-1) Temperatur (oC)
1 530 642
Combustor Gas buang 1 017 kg CO2 44 kg O2 1 109 kg H2O 2 360 986
Bed material Pasir
12 000 986
Arang 82 kg C
800
82
12
Konsep Desain Secara umum terdapat 3 bagian utama perangkat gasifikasi, yaitu reaktor, unit permurnian gas, dan pemanfaatan gas (Kjellstrom 1985). Menurut La Puppung (1987) reaktor adalah silinder tempat pembakaran umpan yang biasanya bediri tegak. Dalam konsep desain yang perlu diperhatikan waktu pencampuran bahan bakar dan udara dalam reaktor merupakan faktor penting dalam perancangan sistem sehingga jumlah gas yang terbentuk maksimal dengan jumlah tar atau by product yang minimal. Reaktor terbentuk selinder dengan open top re-burn dan unggun yang terfluidisasi merupakan reaktor yang telah teruji meminimalkan pembentukan tar. Neraca massa dan energi dari suatu sistem dekomposisi termal biomassa dapat ditentukan dari analisis komponen bahan bakar dan produk. Perbandingan jumlah udara yang digunakan adalah 2.79 berat. Dengan adanya uap air jumlah tar dan residu berkurang drastis sehingga masalah lingkungan dapat dipecahkan. Kondisi optimum dari reaksi dekomposisi termal akan ditentukan dalam desain eksperimen. Penentuan Dimensi Reaktor Menurut Martinez dan Petro (2007) dalam penentuan reaksi dimensi reaktor, digunakan rumus-rumus fluidized bed yang sudah dikembangkan oleh penelitipeneliti lain. Parameter yang perlu dicari adalah: Kecepatan fluidisasi minimum Kecepatan terminal partikel Kecepatan fluidisasi saat gasifikasi Tinggi reaktor keseluruhan Kecepatan fluidisasi adalah fungsi dari densitas dan porositas dari unggun partikel. Kecepatan fluidisasi minimum diperlukan untuk mengatasi kehilangan tekanan karena gravitasi pada unggun saat fluidisasi dimulai. Kehilangan tekanan tidak lagi berubah secara signifikan apabila unggun telah terfluidisasi sempurna melewati ketinggian tertentu dari reaktor. Kecepatan fluidisasi minimum (minimum fluidization velocity), Umf, ditentukan oleh kecepatan terendah superfisial dari gas yang mengalir melalui unggun. Masing-masing Umf dihitung untuk unggun pasir dan unggun biomassa dengan menggunakan Persamaan 1, sedangkan kecepatan terminal partikel dapat dilihat pada Persamaan 2. U mf
dp 2 p f g 150
3 2 1
4 p f 2 g 2 3 U t dp 225 f
(1)
1
(2)
Kecepatan fluidisasi saat proses gasifikasi merupakan perbandingan antara tinggi minimum dan tinggi ekspansi dari unggun yang terfluidisasi, kecepatan fluidisasi dapat dihitung menggunakan Persamaan 3.
13
10.978 U f U mf p H 1 0.937 0.126 Hf U mf f 0.738
0.376
dp1.006
(3)
Untuk bubbling fluidized bed digunakan batasan berikut, dapat dilihat pada Persamaan 4: 1.2 <
< 1.4......................................................................................................(4)
Tinggi reaktor (Ht) keseluruhan dihitung menurut Persamaan 5 berikut ini:
Ht = TDH + H...................................................................................................(5) TDH atau threshold disengaging height merupakan korelasi grafis yang dibuat oleh Zens dan Weil pada tahun 2007 ditunjukkan dalam Gambar 9.
Gambar 9 Korelasi Zen & Weil untuk perhitungan TDH (Martinez dan Petro 2007) Scrubber Gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi atau syngas masih mengandung partikel padatan, kotoran anorganik (halida, alkali, senyawa belereng, dan nitrogen), dan kotoran organik (tar, aromatik, karbon dioksida). Pada temperatur tinggi, reaksi kesetimbangan akan bergeser ke arah hidrogen sehingga gas yang dihasilkan akan mengandung gas hidrogen yang sangat tinggi. Sedangkan abu yang dihasilkan dari gasifikasi akan tertinggal di gasifier sebagai (slag). Namun pada temperatur rendah abu yang dihasilkan akan terbawa dengan syngas sebagai abu kering. Adapun cara untuk membersihkan gas dari debu dan partikel yang tidak paling diinginkan yaitu tar, diantaranya filtrasi (scrubber). Sistem filtrasi ini pun dibagi menjadi dua, yaitu wet scrubber dan dry scrubber. Prinsip dasar dari semua
14
scrubber adalah sama yaitu membersihkan gas dari unsur-unsur seperti senyawasenyawa sulfur, dll.
Aspen Plus 23. 0 Aspen Plus adalah perangkat lunak yang digunakan untuk memodelkan dari suatu reaksi kimia dalam reaktor. Di dalam Aspen Plus terdapat dua jenis yaitu reaktor non kinetik dan kinetik. Untuk reaktor non kinetik terbagi dua tipe yaitu non kinetik balance dan non kinetik equilibrium. Pada reaktor non kinetik balance terdiri dari Reaktor Yield (R. Yield), dan Reaktor Stoic (R. Stoic). Sedangkan untuk non kinetik equilibrium terdiri dari Reaktor Equil (R. Equil), dan Reaktor Gibbs (R. Gibbs). Untuk reaktor kinetik terdiri Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR), Reaktor Plug (R. Plug), Reaktor Batch (R. Batch) (Aspen Tech 2005). R. Yield , reaktor ini dapat melakukan perhitungan neraca massa dan energi berdasarkan nilai yield yang diberikan. Dan reaktor ini juga dapat mensimulasikan unit arus yang masuk tanpa diketahui secara pasti, tetapi diketahui komponen hasilnya. Serta dapat menspesifikasikan produk yield, dimana reaktor ini tidak memerlukan molar balance, atom balance, dan stoikiometri. Berikut ini gambar reaktor yield dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10 Reaktor R. Yield (Aspen Technology Inc 2005) R. Stoic, reaktor ini dapat menghitung semua komponen keluaran reaktor, neraca energi dan suhu keluaran reaktor serta kecepatan transfer panas. Reaktor ini dapat mengkonversi suatu senyawa dengan hanya diketahui satu reaktan. Dalam satu stream dapat dikombinasikan dengan beberapa stream mass dan stream heat. R. Equil dapat menghitung berdasarkan kesetimbangan kimia dan fasa, tanpa menspesifikasikan yang lain. Jika pada reaksi yang terjadi di dalam reaktor terdapat padatan maka kesetimbangan padatan tersebut diabaikan, dan di dalam reaktor ini reaksi yang terlibat sangat sedikit, untuk gambar reaktor equil dapat dilihat pada Gambar 11.
15
Gambar 11 Reaktor R.Equil (Aspen Technology Inc 2005) R. Gibbs, pada reaktor ini tidak memerlukan jenis reaksi yang terjadi, dan menspesifikasikan stoikiometri. Biasanya reaktor ini digunakan untuk mengeksplorasi kemungkinan termodinamika yang terjadi di dalam reaktor tersebut. Pada reaktor ini bisa memilih kesetimbangan yang diperhitungkan, reaktor ini juga dapat mempertimbangkan kesetimbangan fase dan kimia secara simultan dengan menentukkan energi bebas gibbs dan phase splitting. Berikut ini gambar reaktor gibbs dapat dilihat pada Gambar 12.
Gambar 12 Reaktor R. Gibbs (Aspen Technology Inc 2005) Reaktor kinetik, memperhitungkan volume reaktor dan konversi dari tiap reaksi yang terjadi di dalam reaktor. Pada reaktor kinetik, persamaan reaksi disimpan sebagai variabel global dan dinyatakan dalam blok tersendiri di luar blok reaktor, pada umumnya tipe reaksi yang sering digunakan pada reaktor kinetik ini adalah power law. Untuk Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) diasumsikan terjadi pengadukan sempurna, suhu dan kosentrasi keluaran reaktor sama dengan yang berada di dalam reakator. Sedangkan untuk Reaktor Plug (R. Plug), dispersi arah radial diabaikan, dimensi dinyatakan dalam panjang dan diameter reaktor, tak ada gradien arah radial seperti suhu, kosentrasi dan tekanan, dan kondisi operasi yang terjadi di dalam reaktor ini bersifat adiabatik, isotermal, non-adiabatik, atau non-isotermal.
16
METODE PENELITIAN Waktu Pelaksanaan Penelitian Penelitian dilaksanakan selama bulan April-Agustus 2014 yang dilaksanakan di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem. Untuk skema alur pelaksanaan penelitian dapat dilihat pada Gambar 13.
Gambar 13 Skema alur penelitian Alat dan Bahan Proses Perancangan 1. Simulasi : alat yang digunakan adalah perangkat komputer dan perangkat lunak kimia yaitu Aspen Plus 23.0 dapat dilihat pada Lampiran 1, pemilihan perangkat lunak Aspen Plus dikarenakan perangkat lunak ini lebih simpel bila dibandingkan dengan perangkat lunak kimia lainnya seperti CAM CAD. Sedangkan untuk bahan yang digunakan adalah karakteristik dari arang sekam padi yaitu ultimate dan proximate. 2. Penggambar desain gasifikasi : alat yang digunakan adalah perangkat komputer dan perangkat lunak AutoCAD 2010. Desain gambar ini disesuaikan berdasarkan perhitungan dimensi reaktor dapat dilihat pada Lampiran 4 dan 5.
17
Proses Manufaktur Alat yang digunakan adalah gerinda potong, las listrik, palu, gergaji besi, mesin bubut, bor meja, bor tangan, mata bor 4 mm dan ayakan mess 1 mm, 0.5 mm dan 0.42 mm. Sedangkan bahan yang digunakan adalah plat besi dengan ketebalan 0.3 mm dan 0.5 mm, elektroda, pipa besi berdiamater 0.3 mm, 0.5 mm, pipa elbow, double nepel, plok sok, dan katup kran udara. Pengujian Reaktor Gasifikasi Alat yang digunakan adalah reaktor gasifikasi tipe fluidized bed dapat dilihat pada Gambar 14, termokopel kawat tipe CA, Autonic recorder dapat dilihat pada Gambar 15, timbangan digital dan blower tipe RB-400A dengan merk ring blower dapat dilihat pada Gambar 16, serta anemometer dan gelas ukur. Bahan yang digunakan adalah arang sekam padi dapat dilihat pada Gambar 17, dan pasir dapat dilihat Gambar 18.
Gambar 14 Reaktor gasifikasi
Gambar 15 Autonic recorder
Gambar 16 Blower
Gambar 17 Arang sekam
18
Cm Gambar 18 Pasir Metode Proses Perancangan 1. Simulasi Aspen Plus 23.0 Simulasi digunakan untuk memodelkan proses gasifikasi yang terjadi di dalam reaktor, yang berfungsi untuk memprediksi suatu reaksi dalam kinerja yang melibatkan proses penguraian komposisi dari bahan yang bersifat non conventional menjadi conventional, selain itu dengan menggunakan Aspen Plus 23.0 dapat menentukan feeding rate dari bahan yang akan digunakan serta dapat menentukan volume dari reaksi yang terjadi sehingga dapat menghasilkan component mole flow dari setiap gas yang dihasilkan. 1. Reaksi Gasifikasi Dalam proses gasifikasi dengan tipe reaktor fluidized bed terjadi beberapa reaksi kimia yang bersifat heterogen. Setiap reaksi kimia yang bersifat heterogen mempunyai nilai kinetik, yang meliputi Energi aktivasi (Ea) dan Pre-exponential (A). Nilai Ea dan A dari setiap reaksi kimia tersebut menjadi batasan dalam proses simulasi menggunakan perangkat lunak Aspen Plus 23.0. Adapun reaksi yang terlibat dalam proses gasifikasi dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4 Reaksi yang terlibat pada proses gasifikasi (Chen et al. 2000) No. Reaksi A Ea(J kmol-1) Reaksi Heterogen 1 0.052 6.1 x 107 C(S) + ½ O2 → CO 2 0.0732 1.125 x 108 C(S) + CO2 → 2CO 3 0.0782 1.15 x 108 C(S) + H2O → CO + H2 2. Deskripsi Model Untuk proses gasifikasi secara keseluruhan ada beberapa fase yang perlu dipertimbangkan dalam simulasi menggunakan perangkat lunak Aspen Plus 23.0, adapun proses–proses yang terjadi meliputi proses biomass decomposition, volatile reactions, char gasification, dan gas-solid separation. Fase–fase tersebut terjadi dalam beberapa blok reaktor, yaitu antara lain blok R. Yield, Separator, R.Gibbs, Mixer, dan R. CSTR. Adapun simulation flow-sheet dapat dilihat pada
19
Lampiran 2. Untuk kondisi operasi yang terjadi dalam proses gasifikasi dapat dilihat pada Tabel 5.
Biomasa
Udara
R.Yield
R. Gibbs Mixer R. CSTR
Tabel 5 Kondisi operasi gasifikasi Temperatur (oC) Tekanan (atm) Mass flow (kg jam-1) Temperatur (oC) Tekanan (atm) Total flow (m3 jam-1) Temperatur (oC) Tekanan (atm) H2 O2 N2 Nilai Yield S H2O C Ash Temperatur (oC) Tekanan (atm) Tekanan (atm) Temperatur (oC) Tekanan (atm) Volume (l)
30 1 2.7 30 1 3.5 350 1 0.0325 0.1700 0 0.0028 0.0710 0.7237 0.7321 700 1 1 700 1 2
a. Penguraian Biomassa Pada Aspen Plus 23.0, penguraian biomassa terjadi pada R. Yield. Pada R.Yield tidak diperlukan stoikiometri dari setiap reaksi, dan dapat melakukan perhitungan neraca massa dan energi berdasarkan yield yang diberikan serta dapat mensimulasikan unit yang arus (stream) masuk tak diketahui secara pasti tetapi diketahui komponen hasilnya. Untuk komposisi proximate dan ultimate dari sekam dapat dilihat pada Tabel 6. b. Reaksi Volatil Reaksi volatil terjadi pada R. Gibbs, dimana terjadi pemisahan antara volatil dan padatan. R. Gibbs digunakan untuk fase yang mudah menguap, pada R. Gibbs ini tidak perlu diketahui stoikiometrinya, yang perlu diketahui adalah temperatur dan tekanan pada reaktor tersebut. Pada R. Gibbs ini karbon terdiri dari dua jenis yaitu karbon fase gas dan karbon padatan. c. Gasifikasi Proses gasifikasi terjadi dalam dalam R. CSTR. Di R. CSTR mengasumsikan pencampuran yang sempurna. Dimana reaksi kinetik dan kesetimbangan dari proses reaksi gasifikasi diperlukan. d. Pencampuran Proses pencampuran antara gas, dan udara terjadi di dalam mixer. Proses pencampuran antara padatan dan gas terjadi sebelum masuk kedalam R. CSTR.
20
e. Pemisahan Pemisahan antara padatan dan gas yang dihasilkan dilakukan di dalam separator. Sehingga padatan yang tersisa dari proses R. Yield akan direaksi kan kembali kedalam R. Gibbs. Sedangkan gas yang dihasilkan dari R. Yield akan dicampur kedalam mixer. 2. Perhitungan Dimensi Reaktor ada 3 parameter yang digunakan untuk perhitungan dimensi reaktor yaitu antara lain kecepatan fluidisasi minimum, kecepatan terminal partikel dan kecepatan fluidisasi saat proses gasifikasi. Diameter partikel dari sekam dan pasir dapat mempengaruhi ketiga parameter tersebut. Persamaan yang digunakan untuk perhitungan ketiga parameter tersebut dapat dilihat pada Persamaan 1, 2, 3, dan 5. Adapun langkah - langkah perhitungan dari gasifier dapat dilihat pada Gambar 19.
Menentukan minimum fluidization velocity Persamaan (1)
Menentukan terminal velocity of the particle Persamaan (2)
Menentukan fluidization velocity Persamaan (3)
Menghitung tinggi keseluruhan dari gasifier Persamaan (5) Gambar 19 Langkah–langkah perhitungan teknik Proses Manufaktur 1. Plat dengan ketebalan 0.3 mm dipotong sepanjang 35 cm, kemudian dibuat menjadi tabung dengan bagian atas dan bawah dari tabung tersebut terbuka, dengan diameter 20 cm. Sedangkan untuk plat besi dengan ketebalan 0.5 mm dipotong berbentuk lingkaran dengan diameter luar 25 cm dan diameter dalam 0.03 cm, dan pada bagian sisi terdapat 16 lubang baut dengan ukuran 4 mm.
21
2. Plat dengan ketebalan 0.3 mm dipotong sepanjang 28.7 cm, dibuat kerucut dengan bagian atas dan bawah terbuka, dengan diameter bagian bawah 6 cm dan bagian atas 20 cm. 3. Pipa besi berdiameter 6 cm dipotong sepanjang 87.7 cm, 50.7 cm, dan 28.18 cm, untuk plat besi yang berdiameter 0.54 cm dipotong sepanjang 10 cm sebanyak 2 bagian. sedangkan untuk plat besi yang berdiameter 0.12 cm dipotong sepanjang 19 cm sebanyak 2 bagian. 4. Las bagian tabung dengan bagian kerucut dengan menyatukan bagian atas yang terbuka dari tabung dengan bagian atas dari kerucut menggunakan las listrik. 5. Sambungkan dengan menggunakan las listrik bagian pipa sepanjang 10 cm berdiameter 0.54 cm dengan bagian tabung dan kerucut yang telah dilas terlebih dahulu. Pada bagian bawah pipa disambungkan dengan menggunakan pipa elbow dan plok sok kemudian disambungkan dengan pipa yang berdiameter 6 cm dengan panjang 50.7 cm yang telah disambungkan dengan 2 buah pipa besi berdiameter 3.18 cm yang telah terdapat katup kran udara. 6. Sambungkan dengan las pipa besi yang berdiameter 0.12 cm sepanjang 19 cm dibagian bawah kerucut dan bagian atas tabung, serta sambungkan pipa besi sepanjang 10 cm dengan diameter 0.54 cm pada bagian atas dari tabung tersebut. 7. Pipa besi sepanjang 87.7 cm disambungkan dengan pipa elbow dengan pipa berdiameter 6 cm dengan double nepel kemudian sambungkan kembali dengan pipa berdiameter 3. 18 cm yang tersambung dengan siklon. Untuk keseluruhan dari desain reaktor dapat dilihat pada Gambar 23. Produser Pengujian Reaktor Gasifikasi Percobaan dilakukan dengan menggunakan reaktor fluidized bed. Dalam percobaan pengujian reaktor menggunakan dua perlakuan pengujian yaitu menggunakan pasir dan tanpa pasir. Adapun langkah – langkah percobaan sebagai berikut: A. Pengujian dengan menggunakan pasir : 1. Pasir yang akan digunakan terlebih dahulu dicuci, kemudian setelah dicuci dijemur hingga pasir kering. Pasir yang telah kering kemudian diayak menggunakan 3 ayakan mess yaitu yang berukuran 1 mm, 0.5 mm dan 0.42 mm. Ukuran pasir yang digunakan antara 0.43 – 0.5 mm dengan berat pasir 0.5 kg. Kemudian arang sekam ditimbang seberat 0.3 kg. 2. Pasir dengan berat 0.5 kg dan arang sekam dengan berat 0.3 kg dimasukkan ke dalam reaktor melalui bagian atas, dengan kondisi bagian penutup reaktor dibiarkan terbuka, kemudian udara dari blower diatur melalui kran, dan lubang pipa dari blower ditutup ¾ sehingga yang terbuka hanya 1/4 hingga terjadi fluidisasi, hal ini dilakukan bertujuan mengetahui tinggi dari fluidisasi dan agar tercampur rata antar pasir dan arang sekam 3. Setelah terjadi fluidisasi dan tercampurnya pasir dan arang sekam, blower dimatikan dahulu, kemudian bagian atas dari reaktor ditutup dan dipasang komponen – komponen lainnya seperti siklon. Setelah semua komponen
22
terpasang, arang sekam sisanya dengan berat 0.9 kg dimasukkan dari bagian samping.
B. Pengujian tanpa menggunakan pasir : 1. Arang sekam ditimbang seberat 1.2 kg, kemudian dipisahkan menjadi dua yaitu 0.3 kg dan 0.9 kg, arang sekam dengan berat 0.3 kg dimasukkan ke dalam reaktor melalui bagian atas. 2. Laju udara dari blower diatur melalui kran hingga terjadi proses fluidisasi. Setelah terjadi proses fluidisasi. Komponen lainnya seperti siklon dipasang. Sisa arang sekam seberat 0.9 kg dimasukkan melalui bagian samping reaktor. C. Pengujian temperatur dan tekanan : 1. Suhu dari gasifikasi diukur menggunakan termocouple batang dan kawat. Titik pengukuran suhu dari proses gasifikasi yaitu pada zona oksidasi dan bagian luar reaktor. Kemudian pada proses gasifikasi laju aliran udara diukur menggunakan anemometer serta tekanan menggunakan manometer. 2. Untuk memastikan gas yang dihasilkan dari siklon berupa gas mampu bakar maka dilakukan pemantikan terhadap gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi, dapat dilihat pada Gambar 20.
Gambar 20 Proses pemantikan terhadap gas
HASIL DAN PEMBAHASAN Simulasi Aspen Plus 23. 0 Proximate dan Ultimate Data dari proximate, dan ultimate, digunakan untuk mengetahui komposisi dari bahan (biomassa) yang digunakan, dan merupakan data input bahan yang digunakan (biomssa). Adapun kandungan proximate dan ultimate dari arang sekam dapat dilihat pada Tabel 6.
23
Tabel 6 Data kandungan proximate dan ultimate arang sekam (Husni et al. 2012) Proximate analysis (dry basis, %) Ash Moisture 78.8 7.1
Ultimate analysis (dry basis, %) N 0
C 77.9
S 0.3
H 3.5
O 18.3
Reaksi Heterogen Reaksi kimia yang terjadi didalam proses gasifikasi dalam simulasi melibatkan reaksi yang bersifat heterogen. Adapun reaksi heterogen tersebut dapat dilihat pada Tabel 5. Reaksi kimia yang bersifat heterogen ini akan terjadi didalam R. CSTR, dan memerlukan nilai energi aktivasi. Nilai energi aktivasi dari setiap reaksi heterogen digunakan pada pada persamaan kinetic factor. Pada umumnya di R.CSTR tipe reaksi yang digunakan adalah power law kinetic expression, dimana power law kinetic expression ini sangat bergantung pada besaran kinetic factornya. Adapun persamaan kinetic factor dapat dilihat pada Persamaan 6. n
Ea R
T K A e T0
1 1 T T0
(6)
Nilai Yield Dalam simulasi nilai yield sangat mempengaruhi hasil penguraian yang akan terbentuk dari setiap senyawa. Nilai yield dipengaruhi oleh kadar iar, komposisi senyawa, dan feed dari sekam tersebut. Adapun persamaan yang digunakan untuk menghitung nilai yield dapat dilihat pada Persamaan 7, sedangkan untuk hasil perhitungan nilai yield dapat dilihat Pada Tabel 7. ma 1 X moisture X a m feed
(7) Tabel 7 Nilai yield
H2 0.0894
O2 0.4675
N2 0
m (kg) H2O 0.1953
S 0.0077
C 1.9902
Ash 2.0131
Xmoisture ṁfeed 0.071
(kg) 2.75
Pengkondisian pada Setiap Komponen Pada Lampiran 4 dapat dilihat rangkaian dari kelima komponen tersebut. Kelima komponen tersebut akan konvergen apabila memenuhi batasan-batasan untuk laju yang optimum. Adapun kelima komponen tersebut adalah R. Yield, R.Gibbs, R.CSTR, Separator dan Mixer dimana batasan dari setiap komponen tersebut berbeda, batasan tersebut meliputi temperatur dan tekanan. Temperatur yang digunakan disesuaikan dengan proses yang terjadi disetiap komponen, sedangkan untuk tekanan yang digunakan pada setiap komponen sama yaitu sebesar 1 atm. Berikut ini penjelasan batasan dari setiap komponen.
24
a R.Yield, temperatur yang digunakan untuk proses penguraian adalah 350 oC b R.Gibbs, temperatur yang digunakan untuk pemisahan antra yang volatil dan padatan, umunya pada suhu 700 oC. c R.CSTR, pada R.CSTR reaksi kimia yang terjadi akan mempengaruhi setiap senyawa akhir yang terbentuk. Pada umunya temperatur yang digunakan pada proses kinetik tersebut adalah 1500 oC dengan volume pada reaktor tersebut adalah 2 liter. d Separator, separator memisahkan antara padatan dan volatil material. Di separator tidak diberikan pengkodisian seperti temperatur dan tekanan. e Mixer, tempat terjadinya pencampuran antara udara dan volatil yang kemudian akan terjadi proses selanjutnya di R.Gibbs, di dalam mixer tidak diberikan temperatur. Hasil Simulasi Dari hasil simulasi didapatkan perbandingan antara H2 : CO, hampir mendekati 1:1, hal ini dikarenakan oleh kadar air dari bahan yang digunakan, apabila bahan memiliki kadar air yang tinggi maka gas H2 akan lebih dominan. Nilai kadar air yang optimal sangat dibutuhkan dalam proses gasifikasi. Adapun akibat yang akan timbul apabila menggunakan umpan yang memiliki kadar air yang tinggi, yaitu gas yang dihasilkan akan terlalu basah. Sedangkan apabila menggunakan bahan yang memiliki kadar air yang rendah akan menyebabkan reaksi arang tidak berlangsung semestinya sehingga efisiensi dari proses gasifikasi menjadi rendah. Disamping itu tekanan dan temperatur mempengaruhi senyawa–senyawa yang terbentuk, dimana pada umumnya terbentuknya H2 dan CO pada temperatur diatas 700 oC. Disamping tidak hanya terbentuk H2 dan CO, ada senyawa lain yaitu N2. Dari simulasi diketahui bahwa senyawa karbon masih bersisa, tidak semua kandungan karbon dalam sekam dapat terurai menjadi gas, nilai karbon yang tidak terurai sebesar 0.035 kmol jam-1, untuk senyawa H2O dan CO2 mengalami sangat kecil, yang berarti terdapat senyawa tersebut namun jumlah dari senyawa tersebut sangatlah kecil, hal ini dikarenakan H2O dan CO2 bereaksi dengan karbon. Sedangkan untuk senyawa yang tidak beraksi seperti N2 tidak mengalami perubahan atau peningkatan secara signifikan, adapun jumlah dari senyawa N2 tersebut adalah 0.111 kmol jam-1. Nilai senyawa–senyawa yang terbentuk dari hasil gasifikasi, akan meningkatkan aliran massa akhir menjadi dua kali lipatnya dari jumlah aliran massa awalnya. Aliran massa akhir yang meningkat tidak berupa padatan, akan tetapi berupa gas mampu bakar. Dari hasil simulasi didapatkan nilai dari setiap senyawa yang keluar dari R. CSTR berbeda-beda yaitu: 0.031 kmol jam-1 H2, 0.012 kmol jam-1 O2, 0.111 kmol jam-1 N2, <0.001 kmol jam-1 S, H2O sangat kecil, 0.059 kmol jam-1 CO, 0.035 kmol jam-1 C, dan CO2 sangat kecil, sedangkan laju alir entalpinya adalah 8 384.37 Watt. Data hasil dari simulasi disajikan pada Tabel 9 dan skema dari simulasi dapat dilihat pada Gambar 21.
25
Gambar 21 Skema flow-sheet of Aspen Plus 23. 0
Dimensi Reaktor Gasifikasi Diameter dari pasir dan sekam mempengaruhi perhitungan dari dimensi reaktor. Semakin besar diameter dari pasir dan sekam maka akan mempengaruhi tinggi reaktor secara keseluruhan, sedangkan untuk tebal dinding reaktor yang digunakan adalah 0.3 mm. Tinggi keseluruhan reaktor dapat dilihat pada Tabel 8. Dimensi reaktor menunjukkan kapasitas reaktor. Kapasitas reaktor merupakan salah satu parameter terpenting yang dipilih pada saat merancang reaktor tipe fluidized bed, tinggi reaktor tergantung pada kecepatan fluidisasi, untuk kapasitas reaktor tersebut adalah 12 liter. Tabel 8 Fluidization velocity dan tinggi reaktor keseluruhan Parameter Fluidization velocity (m s-1) Tinggi reaktor keseluruhan (m)
Material Sekam Pasir Nilai Uf yang dipilih
Nilai 0.33 0.34 0.34 1.3
Tabel 9 Data hasil simulasi Stream Dari Ke Semua substream Laju alir masa Laju alir entalpi Campuran subtream Fase Hasil (laju alir mol) H2 O2 N2 S H2O C CO CO2 Laju alir volume Entalpi spesifik Trace : sangat kecil
26
Satuan
1
2 R. Yield Separator
3 Separator Mixer
4 Separator R. Gibbs
5 R. Gibbs Mixer
6
1.56 16 397.29
0.15 2 155.76
1.41 14 241.58
Padat
Campuran
Cairan
0 0 0 0 0 0 0 0
0.025 0.008 0 < 0.001 0.006 0.094 0 0 2 018.54 37 868 990
0 0 0 0 0 0.012 0 0 0.05 53 265 180
R. Yield kg jam-1 W
kmol jam
L jam-1 J kg-1
8 R. CSTR
Mixer
7 Mixer R. CSTR
1.41 11 610.81
4.06 5.70
5.62 13 691.19
5.62 8 384.37
Campuran
Gas
Gas
Campuran
Gas
0.025 0.008 0 <0.001 0.006 0.082 0 0 2 019.20 36 281 680
0.031 Trace 0 <0.001 Trace 0.059 0.023 Trace 9 039.55 29 579 550
0 0.030 0.111 0 0 0 0 0 3 500.00 5 056.41
0.031 0.030 0.111 <0.001 Trace 0.071 0.023 Trace 18 893.44 8 773 115
0.031 0.012 0.111 <0.001 Trace 0.035 0.059 Trace 36 099.30 5 372 580
-1
27
Reaktor diinsulasi menggunakan ceramic wool. Unit untuk pembersihan gas yang dihasilkan yang digunakan adalah siklon. Siklon adalah alat yang digunakan untuk mengumpulkan abu dari sisa proses gasifikasi. Siklon biasanya dihubungkan dengan reaktor, sehingga gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi akan keluar dari siklon. Siklon juga merupakan alat yang digunakan untuk memisahkan antara abu dan gas yang menggunakan prinsip gaya–gaya sentrifugal. Menurut Kaupp (1985). Pola aliran gas di dalam siklon terdiri dari dua aliran spiral. Di sebelah luar, aliran spiral turun ke bawah ke arah kolektor abu. Sedangkan di sebelah dalam, aliran spiral bergerak ke atas ke arah pipa keluar. Pada Gambar 22 menunjukkan pola aliran gas dari siklon. Untuk contoh perhitungan dari dimensi reaktor dapat dilihat pada Lampiran 4 dan 5.
Gambar 22 Pola aliran dalam siklon aliran balik (Stassen 1985) Pengujian Reaktor Gasifikasi Pada gasifier tipe fluidized bed komposisi gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi tergantung pada jumlah reaksi dan kejadian–kejadian yang menyertainya, selain itu kualitas dan kuantitas gas dipengaruhi laju aliran udara, densitas umpan, dimensi umpan, kadar air umpan, dimensi reaktor, kecepatan aliran udara. Proses gasifikasi merupakan proses yang melibatkan reaksi kimia. Terdapat empat proses utama dalam proses gasifikasi yaiu pengeringan, pirolisis cepat, oksidasi dan reduksi. Perubahan Tekanan Pengujian perubahan tekanan dilakukan untuk mengetahui perubahan debit udara yang dipengaruhi oleh kecepatan udara. Adapun pengujian perubahan tekanan menggunakan dua perlakuan yaitu menggunakan pasir dan tanpa menggunakan pasir, dapat dilihat pada Tabel 10 dan 11.
28
Adapun gambar desain dari reaktor keseluruhan (cm) dapat dilihat pada Gambar 23.
Gambar 23 Desain reaktor gasifikasi secara keseluruhan
29
Pada Tabel 10 dan 11 serta Gambar 24, didapatkan perubahan tekanan menggunakan pasir lebih tinggi bila dibandingkan dengan tanpa menggunakan pasir, hal ini dikarenakan densitas dari pasir jauh lebih besar dibandingkan dengan densitas dari arang sekam. Peningkatan perubahan tekanan yang terjadi akan meningkatkan nilai kecepatan keluar gas hasil proses gasifikasi. Sehingga peningkatan tekanan (∆P) menggunakan pasir lebih tinggi bila dibandingkan perubahan tekanan (∆P) pada arang sekam. Tabel 10 Pengujian tekanan menggunakan pasir
a
No
h1a (cm)
h2b (cm)
v udara (m s-1)
Q udara (m3 s-1)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
3 3.7 4.3 4.6 4.9 5.3 6.2 6.7 8 8.8 10 11 11.3 12.8 12.8
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0.58 0.67 0.72 0.85 0.89 0.96 1.02 1.14 1.25 1.36 1.47 1.62 1.68 3.6 3.79
0.0013 0.0015 0.0016 0.0019 0.0020 0.0022 0,0023 0.0026 0.0029 0.0031 0.0034 0.0037 0.0038 0.0082 0.0087
Tinggi kolom air pada bagian bawah reaktor.;
b
Luas penampang pipa (m2) 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023
∆P (cm H2O) 3 3.7 4.3 4.6 4.9 5.3 6.2 6.7 8 8.8 10 11 11.3 12.8 12.8
Tinggi kolom air pada bagian atas reaktor
Tabel 11 Data pengujian tekanan tanpa menggunakan pasir No 1 2 3 4 5 6 7 8 a
h1a h2b V udara (cm) (cm) (m s-1) 2.1 0.1 1.33 2.8 0.2 1.58 2.8 0.1 1.82 2.8 0.1 1.96 3.4 0 2.14 3.4 0 2.21 3.8 0 2.21 4 0 3.72
Q udara (m3 s-1) 0.0030 0.0036 0.0042 0.0045 0.0049 0.0051 0.0051 0.0085
Tinggi kolom air pada bagian bawah reaktor.;
b
Luas pipa (m2) 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023
∆P (cm H2O) 2 2.6 2.7 2.7 3.4 3.4 3.8 4
Tinggi kolom air pada bagian atas reaktor
30
14 12 ∆P (cm)
10 8 6 4 2 0 0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
Q (m3 s-1)
Gambar 24 Perubahan tekanan tanpa pasir (-◊-) dan menggunakan pasir (-o-) terhadap debit udara Pengujian dengan Pasir Pada percobaan menggunakan pasir, jenis pasir yang digunakan adalah pasir silika, yang berukuran 0.42 – 0.5 mm, sebelumnya pasir yang digunakan terlebih dahulu dicuci kemudian dikeringan selama 1 - 2 hari dibawah sinar matahari, kemudian pasir diayak. Dalam proses gasifikasi pasir yang digunakan adalah pasir bangunan. Pasir yang digunakan ini mengalami slagging atau penggumpalan dibagian bawah sehingga menyebabkan udara yang seharusnya membuat fluidisasi di dalam reaktor tidak terjadi. Akibat terjadinya slagging gas mampu bakar yang dihasilkan dari proses gasifikasi hanya optimal terjadi selama 24 menit. hal ini dapat dilihat dengan adanya nyala api yang kecil dan hal ini dapat dilihat pada Tabel 12 dan 13. Menurut Bambang et al. (2005), pasir yang digunakan sebagai bahan bangunan berasal kegiatan vulkanik gunung berapi. Adapun komposisi atau kandungan-kandungan kimia dari pasir tersebut yaitu: SiO2 (70.35%), Al2O3 (1.66%), Fe2O3 (8.96%), CaO (3.37%), dan MgO (1.64%). Kualitas gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi ditandai dengan nyala api, apabila gas yang keluar dari siklon dapat hidup bila dipantik api, maka kualitas gas yang dihasilkan dalam keadaan baik. Tabel 12 Data awal pengujian dengan menggunakan pasir Data statik Massa awal arang sekam + pasir Massa akhir di siklon Massa akhir di gasifier Kecepatan udara inlet Tinggi tumpukan arang sekam + pasir Berat tumpukan arang sekam + pasir
Jumlah 1.7 kg 0 kg 1.062 kg 2.07 m s-1 12 cm 0.8 kg
31
Tabel 13 Data temperatur dan waktu selama proses pengujian dengan menggunakan pasir T1a No. Waktu (oC) 1 2 40 2 4 405 3 6 667 4 8 754 5 10 840 6 12 606 7 14 473 8 16 377 9 18 251 10 20 200 11 22 164 12 24 104 13 26 83 14 28 79 15 30 77 16 32 70 17 34 51 18 36 41 19 38 39 20 40 40 21 42 38 22 44 34 23 46 31 24 48 26 25 50 24 26 52 22 27 54 22 28 56 22 29 58 22 30 60 22 a
T2b (oC) 60 62 86 136 309 347 427 382 370 270 240 240 223 209 198 194 208 182 178 172 177 176 164 143 123 108 95 91 88 83
h1c h2 d (mm) (mm) 43 1 43 1 39 2 35 7 34 12 33 12 25 10 50 14 25 10 22 8 25 7 12 10 12 10 18 2 20 5 23 5 24 8 22 5 23 6 22 4 23 5 22 5 24 4 25 3 22 4 21 3 22 2 23 3 23 3 22 3 b
Penampakan outlet Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada asap Ada (kecil) asap Ada (kecil) asap Ada (kecil) asap Tidak ada asap Tidak ada asap Tidak ada asap Tidak ada asap Tidak ada asap Tidak ada asap Tidak ada asap Tidak ada asap
Temperatur pada bagian zona oksidasi.; Temperatur pada bagian luar gasifier.; air pada bagian bawah reaktor.; d Tinggi kolom air pada bagian atas reaktor
Nyala api Kecil Kecil Kecil Kecil Kecil Kecil Kecil Kecil Kecil Kecil Kecil Kecil Mati Mati Mati Mati Mati Mati Mati Mati Mati Mati Mati Mati Mati Mati Mati Mati Mati Mati c
Tinggi kolom
Pada proses gasifikasi tekanan dibawah lebih tinggi dari pada tekanan bagian atas dari reaktor, hal ini terjadi dikarenakan volume ruang pada bagian atas reaktor lebih luas dan temperatur dibagian atas terus mengalami penurunan temperatur di karenakan adanya pasir silika yang mengalami slagging. Sedangkan untuk penampakan outlet dari siklon adalah ada atau tidak ada asap, dimana asap tersebut dapat dipantikkan sehingga asap tersebut dapat terbakar. Nyala api dari pengujian ini berlangsung selama 24 menit dalam keadaan api yang kecil, setelah 24 menit selanjutnya asap yang dihasilkan tidak dapat dipantik sehingga asap
32
tersebut tidak dapat terbakar, dan pada menit ke 46 tidak dihasilkan asap, hal ini dikarenakan adanya slagging dari pasir yang terdapat pada bagian bawah reaktor yang menyebabkan sebagian dari umpan tidak mengalami fluidisasi, hingga . Untuk gambar nyala api dan asap dapat dilihat pada Gambar 25, 26, dan 27.
Gambar 25 Nyala api besar (pengujian dengan pasir)
Gambar 26 Nyala api kecil (pengujian dengan pasir)
33
Gambar 27 Asap (pengujian dengan pasir) Slagging merupakan tipe fluidisasi yang tidak normal, hal ini tergantung pada desain reaktor, kecepatan gas dan berat spesifik pada wujud padat. Keberadaan slagging tidak diinginkan dan dapat dihindari dengan pengaturan tinggi bed atau pengaturan kecepatan gas. Bentuk slagging dapat dilihat pada Gambar 28.
Gambar 28 Slagging dari pasir Dalam proses gasifikasi akan terjadi perubahan tekanan dan temperatur, perubahan tekanan ditandai dengan perubahan tinggi kolom air pada manometer, hal ini dapat dilihat pada Gambar 29.
Tinggi kolom air (mm)
34
55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Waktu
Gambar 29 Perubahan tinggi kolom air pada bagian bawah (H1) (-◊-) dan atas (H2) (-o-) reaktor (menggunakan pasir) Pengujian Tanpa Pasir Pada pengujian reaktor tanpa menggunakan pasir, arang sekam yang digunakan banyak yang terbawa ke siklon sehingga banyak arang sekam yang tidak tergasifikasi dan arang sekam akhirnya bercampur dengan abu. Selain itu abu yang dihasilkan dari proses gasifikasi arang sekam mengalami sedikit slagging, hal ini dikarenakan temperatur pengoperasian gasifier mencapai 1 030 o C. Gambar 30 menunjukkan campuran arang sekam dan abu.
Gambar 30 Residu arang sekam dan abu Pada Tabel 14 dan 15 memperlihatkan perubahan temperatur, tinggi kolom atas dan bawah, gas dan nyala api. Nyala api dihasilkan dalam waktu yang singkat bila dibandingkan dengan menggunakan pasir. Sedangkan untuk perubahan tinggi kolom air pada bagian atas tidak terjadi perubahan tinggi kolom air, hal ini menunjukkan tekanan dibagian bawah reaktor lebih tinggi dibandingkan tekanan dibagian atas reaktor, dapat dilihat pada Gambar 34.
35
Tabel 14 Data hasil pengujian tanpa menggunakan pasir Data statik Jumlah Massa awal arang sekam 1.2 kg Massa akhir di sikon 0.680 kg Massa akhir di gasifier 0.024 kg Kecepatan udara inlet 1.50 m s-1 Tinggi tumpukan arang sekam+ pasir 12 cm Berat tumpukan arang sekam+ pasir 0.3 kg Tabel 15 Data temperatur dan waktu selama proses pengujian tanpa pasir T1a T2b h1c h2d Penampakan No. Waktu Nyala api o o ( C) ( C) (mm) (mm) outlet 1 2 461 41 7 0 Ada asap Kecil 2 4 806 71 10 0 Ada asap Kecil 3 6 871 130 6 0 Ada asap Kecil 4 8 864 179 7 0 Ada asap Membesar 5 10 839 191 6 0 Ada asap Membesar 6 12 833 192 6 0 Ada asap Membesar 7 14 767 195 5 0 Ada asap Mati 8 16 803 219 5 0 Ada asap Mati 9 18 707 243 5 0 Ada (kecil) asap Mati 10 20 520 253 5 0 Ada (kecil) asap Mati 11 22 567 220 5 0 Ada (kecil) asap Mati 12 24 428 207 3 0 Tidak ada asap Mati 13 26 347 196 5 0 Tidak ad asap Mati 14 28 322 182 7 2 Tidak ada asap Mati 15 30 212 166 4 0 Tidak ada asap Mati 16 32 175 153 4 0 Tidak ada asap Mati 17 34 180 141 4 1 Tidak ada asap Mati 18 36 125 139 6 2 Tidak ada asap Mati 19 38 102 207 10 2 Tidak ada asap Mati 20 40 99 252 10 2 Ada asap Mati 21 42 133 222 0 1 Ada asap Mati 22 44 160 210 0 1 Ada asap Kecil 23 46 89 215 0 1 Ada asap Kecil 24 48 1 030 283 14 1 Ada asap Kecil 25 50 587 317 8 1 Ada asap Mati 26 52 518 301 3 1 Tidak ada asap Mati 27 54 450 273 3 2 Tidak ada asap Mati 28 56 180 237 4 4 Tidak ada asap Mati 29 58 157 206 4 4 Tidak ada asap Mati 30 60 120 157 4 5 Tidak ada asap Mati a
Temperatur pada bagian zona oksidasi.; b Temperatur pada bagian luar gasifier.; bagian bawah reaktor.; d Tinggi kolom air pada bagian atas reaktor
c
Tinggi kolom air pada
36
Pada proses gasifikasi tanpa pasir, pada menit ke 12 keluaran asap dan nyala api stabil serta asap yang dihasilkan dapat dipantik, hal ini disebabkan temperatur yang terjadi mencapai 800oC. Untuk menit ke 14 – 38 menghasilkan asap yang tidak dapat dipantik, hal ini disebabkan sekam yang terdapat di dalam reaktor tidak mengalami gasifikasi dengan baik, dikarenakan temperatur yang semakin menurun hingga mencapai 102oC (Tabel 15), sehingga proses gasifikasi terhenti, penurunan temperatur terjadi dikarenakan umpan tidak sempat terpirolisis (gasifikasi). Sedangkan untuk menit ke 40 – 50 temperatur naik kembali sehingga proses gasifikasi mulai berlangsung kembali. Untuk menit selanjutnya asap dan nyala api yang dihasilkan tidak ada, hal ini dikarenakan bahan yang digunakan sudah habis sehingga tidak ada lagi proses gasifikasi. Untuk gambar nyala api dan asap dapat dilihat pada Gambar 31, 32 dan 33.
Gambar 31 Nyala api besar (pengujian tanpa pasir)
Gambar 32 Nyala api kecil (pengujian tanpa pasir)
37
Gambar 33 Asap (pengujian tanpa pasir)
16
Tinggi kolom air (mm)
14 12 10 8 6 4 2 0 0
10
20
30
40
50
60
70
Waktu
Gambar 34 Perubahan tinggi kolom air pada bagian bawah (H1) (-◊-) dan atas (H2) (-o-) reaktor (tanpa menggunakan pasir)
SIMPULAN Berdasarkan perhitungan dan diameter partikel umpan yang digunakan didapatkan dimensi reaktor sebagai berikut: tinggi reaktor gasifikasi keseluruhanan 1.3 m, diameter reaktor 0.2 m, diameter lubang masukan umpan 0.54 m, tinggi pipa dalam 0.877 m, diameter pipa dalam 0.06 m, dan tinggi corong 0.287 m dengan kemiringan 45o. Dalam proses desain dilakukan simulasi menggunakan Aspen Plus 23.0, dengan tiga model reaktor yaitu R. Yield, R. Gibbs, dan R. CSTR. Dari simulasi diketahui bahwa senyawa karbon masih
38
bersisa, tidak semua kandungan karbon dalam sekam dapat terurai menjadi gas, nilai karbon yang tidak terurai sebesar 0.035 kmol jam-1, untuk senyawa H2O dan CO2 jumlah senyawa tersebut sangatlah kecil, hal ini dikarenakan H2O dan CO2 bereaksi dengan karbon. Sedangkan N2 tidak mengalami perubahan dengan nilainya 0.111 kmol jam-1. Dalam pengujian reaktor perubahan tekanan menggunakan pasir lebih tinggi bila dibandingkan tanpa menggunakan pasir, hal ini dikarenakan pasir memiliki densitas yang lebih besar dibandingkan dengan arang sekam. Pada pengujian proses gasifikasi menggunakan pasir, pasir yang digunakan dalam proses gasifikasi ini mengalami slagging atau penggumpalan sehingga gasifikasi yang terjadi didalam reaktor tidak terjadi dan gas yang dihasilkan tidak stabil dikarenakan terjadi penurunan temperatur yang disebabkan oleh slagging. Pengujian dengan tanpa pasir temperatur dari proses gasifikasi mengalami fluktuatif menyebabkan gas tidak stabil, dikarenakan laju udara yang diberikan tetap tetapi umpan terus berkurang sehingga umpan terbawa aliran udara sebelum sempat tergasifikasi.
SARAN Saran untuk penelitian berikutnya adalah perlu penelitian lebih lanjut pada simulasi menggunakan Aspen Plus 23.0 untuk reaksi yang homogen, memvariasikan laju aliran udara dalam proses gasifikasi, dan pengujian kualitas gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi. Selain itu dalam pengujian reaktor diperlukan menggunakan pasir kuarsa dan pengaturan temperatur yang konstan.
DAFTAR PUSTAKA Aspen Technology Inc. 2005. Hysys 2004.2 Tutorial and Applications. Cambrigdge. USA. Assma A. 2010. Pengaruh komposit core berbasis limbah kertas, dengan pencampuran sekam padi, dan serabut kelapa terhadap kekuatan bending panel [skripsi]. Surakarta (ID): Universitas Sebelas Maret. Bambang W, Budiharyanto, Kisman A, Said, Soepriadi. 2005. Eksplorasi Logam Besi di Pesisir Selatan Kabupaten Ende, Provinsi Nusa Tenggara Timur. Direktorat Inventarisasi Sumber Daya Mineral. Bandung. Basu P. 2006. Combustion and Gasification in Fluidized Beds. CRC Taylor and Francis Group, USA. Ferdian E. 2007. Perancangan dan pembuatan reaktor gasifikasi dengan bahan bakar campuran bonggol jagung dan sekam padi [skripsi]. Bandung (ID): Institut Teknologi Bandung. Grover P. 1996. Biomass Briquetting Technology and Practices. RWEDP Filed Document no. 46, Food and Agricultural Organization of the United Nations. Bangkok. Grist DH. 1959. Rice. Longmans. London.
39
Husni MHA, Illani ZT, Robert TB, Samsuri AW, Theeba M, Zulkifli M. 2012. Characterization of Local Mill Rice Husk Charcoal and Its Effect on Composit Properties. Malaysian Journal of Soil Science. 16(1): 89-102. Kaupp A. 1985. Biomass Fuel. Makalah pada kursus gas produser, Bandung. Kjellstrom B. 1985. Introduction. Makalah pada kursus gas produser, Bandung. La Puppung P. 1987. Pemanfaatan gas dari gasifikasi biomass sebagai salah sumber energi alternatif. Lembaran Publikasi Lemigas. 2(1):114. Latif. 1999. A study of the design of fluidized bed reactor for biomass gasification [tesis]. London (UK): University of London. Nelwan et al. 2014. Laporan Hasil Hasil Penelitian Kerjasama Kementrian Penelitian dan Pengembangan Pertanian Nasional KKP3N Tahun Anggaran 2013, Bogor. Nugraha, Setiawati. 2006. Peluang Bisnis Arang Sekam. Balai Penelitian Pascapanen. Jakarta. Martinez R, Petro. 2007. Basic design of a fluidized bed gasifier for rice husk on a pilot scale. Latin American Applied Research. 37(1): 299-306. Stassen H. 1985. Fluidized Bed Gasification. Makalah pada kursus gas produser, Bandung. Priambodo, Tricahyandaru. 2008. Pengembangan dan studi karakteristik gasifikasi batu bara sub-bituminus menggunakan jenis fixed bed downdraft gasifier [skripsi]. Depok (ID): Universitas Indonesia. Suprapta IN, Winaya. 2008. Prospek energi dari Sekam padi dengan teknologi fluidized bed combustion. Fakultas Teknik Mesin Universitas Udayana, Bali. 11(20).
Lampiran 1 Tampilan perangkat lunak Aspen Plus 23. 0
40
Lampiran 2 Simulasi Keterangan : B1. R. Yield B2. Separator B3. R.Gibbs B4. Mixer B5. R.CSTR 1. Biomassa 2. Hasil R. Yield 3. Vm 4. Solid 5. Hasil R. Gibbs 6. Udara 7. Hasil Mixer 8. Hasil akhir
41
Lampiran 3 Desain reaktor gasifikasi
42
43
Lampiran 4 Tahapan simulasi menggunakan Aspen Plus 23. 0
44
Lampiran 5 Contoh perhitungan dimensi reaktor Sekam Dik : dp ρp ρf g µ Dit :
= 0.01 m = 389 kg/m3 = 0.345 kg/m3 = 10 m/s2 = 0.000125
Ø = 0.49 H/Hf = 1.2 H = 0.2 dt = 0.3 ε = 0.64
Umf ? Ut ? Uf ? H?
Penyelesaian 1.
Minimum fluidization velocity
Umf = (
–
= = 0.144 m/s
)
2. Thermal velocity of the particle Ut
*
= dp
+
= 0.002 m
*
)
(
+
= 3.6 m/s 3. Fluidization velocity Uf
= ((
(
)
= (( = 0.33 m/s 4. Tinggi keseluruhan Ht = TDH + H = 0.9 + 0.2 = 1.1 m
)
) )
)
45
Lampiran 6 Contoh perhitungan dimensi reaktor Pasir Dik :
Dit :
dp ρp ρf g µ
= 0.001 m = 1400 kg/m3 = 0.345 kg/m3 = 10 m/s2 = 0.000125
Ø = 0.49 H/Hf = 1.2 H = 0.2 dt = 0.3 ε = 0.64
Umf ? Ut ? Uf ? H?
Penyelesaian 1. Minimum fluidization velocity Umf = (
–
= = 0.13 m/s
)
x
2. Thermal velocity of the particle Ut
*
= dp
+
= 0.001 m
*
)
(
+
= 4.3 m/s 3. Fluidization velocity Uf
= ((
(
)
= (( = 0.34 m/s 4. Tinggi keseluruhan Ht = TDH + H = 1.05 + 0.2 = 1.25 m
)
) )
)
46
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Cimanggis Bogor pada tanggal 25 Mei 1992 dari ayah Achmad Lacony dan Ibu Susmiatun. Penulis adalah putri ketiga dari empat bersaudara. Tahun 2010 penulis lulus dari SMA Negeri 4 Palembang dan pada tahun yang sama penulis lulus seleksi masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB dan diterima di Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian. Selama mengikuti perkuliahan penulis juga aktif di Unit Kegiatan Mahasiswa (UKM) dan Himpunan Mahasiswa Teknik Pertnian (HIMATETA). Bulan Juni-Agustus 2013 penulis melaksanakan Praktik Lapangan di PT Geo Dipa Energi (Persero), Dieng dengan judul Perhitungan Teknis Antara Sistem PLTP Dengan Sistem PLTU.
