PEMODELAN DAN SIMULASI REAKTOR ALIRAN BOLAK-BALIK UNTUK MENGKONVERSI TAR DALAM GAS PRODUSER
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
MOHAMMAD EFFENDY NIM : 23005007 Program Studi Teknik Kimia
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
PEMODELAN DAN SIMULASI REAKTOR ALIRAN BOLAK-BALIK UNTUK MENGKONVERSI TAR DALAM GAS PRODUSER
Oleh
Mohammad Effendy NIM : 23005007
Program Studi Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Tim Pembimbing Tanggal ………………………..
Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Yogi Wibisono Budhi
Prof. Dr. Herri Susanto
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS
Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih yang sedalam-dalamnya disampaikan kepada semua pihak yang telah membantu baik dalam pelaksanaan penelitian hingga pada penulisan tesis ini dapat diselesaikan, terutama kepada: 1. Keluargaku Ibunda tercinta Kusdarningsih, kakakku: Nurullah, Ikwan, Evy, Gunawan serta adikku Agung dan Sapto. 2. Keluargaku, istriku tercinta Siti Annisa yang senantiasa memberi dukungan selama menempuh pendidikan S2. Putraku tersayang yang terlahir pada saat menempuh kuliah S2, Muhammad Faaiz. 3. Keluarga Mertuaku tercinta Bapak Ajad Yanuardinata beserta istrinya dan Kakak-kakak ipar serta adik ipar.
- vi -
Mohammad Effendy – Nim: 23005007 Program Studi Teknik Kimia
PEMODELAN DAN SIMULASI REAKTOR ALIRAN BOLAK-BALIK UNTUK MENGKONVERSIKAN TAR DALAM GAS PRODUSER Penggunaan reaktor aliran bolak-balik (RABB) untuk konversi tar yang terkandung dalam gas produser ditelaah dalam studi ini. Operasi RABB memerlukan sebuah perhatian khusus, terutama dalam pemilihan parameter operasi dan perancangan reaktor yang disebabkan kelakuan dinamik reaktor unggun tetap. Karena itu, pemodelan dan simulasi RABB untuk konversi tar sangat diperlukan untuk memetakan jendela operasi yang mungkin terjadi. Konversi tar dapat dilakukan melalui reaksi reformasi kukus untuk menghasilkan H2 dan CO dengan menggunakan katalis Ni/Al2O3. Reformasi tar menggunakan kukus bersifat endotermik yang memerlukan panas. Dalam studi ini, konsumsi energi disediakan melalui reaksi oksidasi parsial H2 dan CO menggunakan O2. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengkaji kelakuan dinamik dan kinerja RABB untuk konversi tar. Penelitian ini dititik-beratkan pada pengaruh pembalikan arah aliran pada konversi tar, perolehan produk, dan nilai panas gas (LHV). Ruang lingkup penelitian meliputi studi pustaka, pemodelan dan simulasi RABB menggunakan paket software FlexPDE versi 3, dan validasi model untuk kasus RABB tanpa reaksi kimia. Hambatan perpindahan panas dan massa dianggap tidak terlibat dalam proses ini. Validasi model tanpa reaksi kimia menunjukkan hasil yang bagus dan dapat diterima. Karena itu, model ini dapat dikembangkan lebih lanjut dengan melibatkan reaksi kimia tar yang direformasi dengan kukus. RABB regular menghasilkan daerah quasi-steady state jika waktu pembalikan lebih besar daripada 900 s. Antara 300-900 s, daerah operasi RABB adalah dinamik, sedangkan jika switching time kurang dari 300 s, reaktor berada dalam daerah sliding. Selama RABB regular, konversi tar selalu lebih kecil daripada konversi yang dicapai dalam operasi tunak, satu arah. Konversi tar berada antara 82,9% - 99,3% bergantung pada daerah operasi yang ditetapkan, yakni mulai dari sliding-dinamik-quasi steady state. Nilai panas gas untuk RABB regular dan daerah operasi tunak menurun terhadap nilai panas gas umpannya. Komposisi modulasi yang dikombinasi dengan RABB dapat menghasilkan nilai panas gas yang lebih tinggi, tetapi konversi tar sedikit menurun. Nilai konversi tar terendah dicapai untuk kasus tH = ¼ ST yaitu 62%. Variasi posisi umpan juga menurunkan konversi tar, namun nilai panas gas meningkat. Kata kunci: Operasi dinamik; Pemodelan dan simulasi; Daerah operasi; Konversi tar; Modulasi komposisi
MODELING AND SIMULATION OF REVERSE FLOW REACTOR TO CONVERT TAR IN PRODUCER GAS The use of the reverse flow reactor (RFR) for tar conversion contained in producer gas is considered in this study. The operation of this RFR needs a particular attention, especially for choosing the operation parameter and reactor design due to the dynamic behavior of the fixed bed reactor. That is why the modeling and simulation of the RFR for tar conversion is indispensable in order to map the possible operating windows. The conversion of tar can be performed via steam reforming reaction to produce H2 and CO by the use of Ni/Al2O3 catalyst. The steam reforming of tar is an endotherming reaction, which requires heat. In this study, the energy consumption is provided by partial oxidation of H2 and CO using O2. The objective of this study is to investigate the dynamic behavior and the performance of the RFR for tar conversion. The focus of the study is to observe the ifluence of flow reversal on the tar conversion, product yield, and gas heating value. The scopes of research are literature study, modeling and simulation of RFR using a software package of FlexPDE version 3, and model validation for the case of RFR without reaction. The heat and mass transfer limitations are not included in this study. The validation in model without reaction shows good results and acceptable. Hence, this model can be developed further by involving the reaction of tar steam reforming tar. The regular reverse flow reactor results in a quasi-steady state regime when the switching time is larger than 900 s. In between 300-900 s, the reverse flow reactor shows a dynamic behavior, while when the switching time is less than 300 s, the reactor is in the sliding regime. During regular reverse flow operation, the conversion of tar is always lower than that of steady state, oncethrough operation. The tar conversion could span from 82,9% till 99,3%, correspoding to shifting operation regime from sliding-dynamic-quasi steady state. The gas heating values for regular flow reversal and steady state operation decrease, compared to the feed gas heating value. Compotition modulation combined with RFR may result in better gas heating value, but the conversion slightly decreases. The lowest tar conversion for the case of tH = ¼ ST is 62%. Varying feed position also lowers the tar conversion, but the gas heating value increases. Keywords: Dynamic operation; Modeling and simulation; Operation regime; Tar conversion; Composition module.
DAFTAR ISI
ABSTRAK........................................................................................................
i
ABSTRACT......................................................................................................
iii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS...............................................................
v
UCAPAN TERIMA KASIH.............................................................................
vi
DAFTAR ISI.....................................................................................................
vii
DAFTAR LAMPIRAN.....................................................................................
ix
DAFTAR GAMBAR........................................................................................
x
DAFTAR TABEL.............................................................................................
xii
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG.................................................... xiii Bab I Pendahuluan...........................................................................................
1
I.1 Latar Belakang.......................................................................................
1
I.2 Perumusan Masalah...............................................................................
3
I.3 Tujuan Penelitian...................................................................................
4
I.4 Ruang Lingkup Penelitian.....................................................................
5
Bab II Tinjauan Pustaka...................................................................................
6
II.1 Gas produser dari Gasifikasi Biomassa................................................
6
II.2 Tar.........................................................................................................
7
II.3 Reaktor Unggun Tetap.........................................................................
10
II.4 Reaktor Tak Tunak...............................................................................
10
II.4.1 Reaktor Tak Tunak dan Keunggulannya.....................................
10
II.4.2 Kendala dan Keterbatasan Reaktor Tak Tunak………………...
12
II.4.3 Daerah Operasi Proses Tak Tunak..............................................
12
II.5 Reaktor Aliran Bolak-Balik..................................................................
14
II.5.1 Definisi dan Prinsip Reaktor Aliran Bolak-Balik................................
14
II.5.2 Manfaat Reaktor Aliran Bolak-Balik..........................................
15
II.5.3 Keunggulan Reaktor Aliran Bolak-Balik....................................
15
II.5.4 Kendala Reaktor Aliran Bolak-Balik..........................................
16
II.6 Teknik Penghematan Energi di Reaktor Kimia....................................
16
- vii -
II.6.1 Reaktor Autotermal dengan Penukar Panas Eksternal................
16
II.6.2 Reaktor Aliran Bolak-Balik (RABB)..........................................
17
II.7 Intensifikasi Proses...............................................................................
17
II.8 Pemodelan dan Simulasi.......................................................................
19
Bab III Rancangan Penelitian...........................................................................
21
III.1 Rencana Pelaksanaan Penelitian.........................................................
21
III.2 Metodologi Penelitian.........................................................................
23
III.2.1 Asumsi Model yang Digunakan.................................................
23
III.2.2 Pemodelan dan Simulasi RABB Tanpa Reaksi Kimia..............
23
III.2.2.1 Persamaan dan Kondisi Operasi yang Digunakan............
23
III.2.2.2 Prosedur Simulasi..............................................................
26
III.2.3 Pemodelan dan Simulasi RABB Konversi Tar..........................
28
III.2.3.1 Persamaan dan Kondisi Operasi yang Digunakan............
29
III.2.3.2 Prosedur Simulasi..............................................................
32
III.2.4 Teknik Penyelesaian Numerik...................................................
33
III.3 Variasi Percobaan dan Analisis Data Percobaan................................
33
Bab IV Hasil dan Pembahasan.........................................................................
35
IV.1 Pemodelan dan Simulasi RABB Tanpa Reaksi Kimia.......................
36
IV.2 Pemodelan dan Simulasi RFR untuk Mengkonversikan Tar..............
38
IV.2.1 Pengaruh Switching Time...........................................................
39
IV.2.2 Pengaruh Posisi Umpan Oksigen...............................................
49
IV.2.3 Pengaruh Umpan Oksigen dengan Fungsi Tangga....................
51
IV.2.3.1 tH = ½ ST...........................................................................
53
IV.2.3.2 tH = ¼ ST...........................................................................
55
IV.2.4 Perbandingan Metode Operasi RABB.......................................
58
IV.2.5 Start-Up.....................................................................................
59
Bab V Kesimpulan…….…………………………………………………….
61
Daftar Pustaka...................................................................................................
62
- viii -
DAFTAR GAMBAR
Gambar II.1
Klasifikasi tar.................................................................................
Gambar II.2
Profil dinamika variabel proses pada daerah operasi reaktor
8
aliran bolak-balik...........................................................................
13
Gambar II.3
Skema RABB................................................................................
14
Gambar II.4
Skema
Reaktor
autotermal
dengan
penukar
panas
eksternal......................................................................................... 17 Gambar II.5
Struktur Intensifikasi Proses.......................................................... 18
Gambar III.1
Skema penelitian yang berkaitan dengan proses gasifikasi dan penyediaan gas produser................................................................ 21
Gambar III.2
Skema pelaksanaan penelitian....................................................... 22
Gambar III.3
Rancangan reaktor dan bagian-bagiannya..................................... 25
Gambar III.4
Diagram
alir
prosedur
simulasi
RABB
tanpa
reaksi
kimia.............................................................................................. Gambar III.5
27
Diagram alir prosedur simulasi RABB untuk mengkonversikan tar................................................................................................... 32
Gambar IV.1
Struktur model RABB untuk mengkonversikan tar dalam gas produser.........................................................................................
Gambar IV.2
35
Struktur model RABB untuk mengetahui dinamika perambatan panas di dalam unggun inert.......................................................... 35
Gambar IV.3
Perbandingan simulasi dengan percobaan laboratorium...............
Gambar IV.4
Profil temperatur reaktor aliran bolak-balik terhadap waktu pada
37
keluar masuk reaktor untuk variasi switching time (a) 3600 detik, (b) 300 detik, dan (c) 1 detik...................................................................
Gambar IV.5
40
Profil temperatur reaktor aliran bolak-balik sepanjang reaktor sesaat setelah aliran dibalik untuk variasi switching time (a) 3600 detik, (b) 300 detik, (c) 1 detik, dan (d) Steady state operation.......................................................................................
Gambar IV.6
42
Perubahan konversi tar dan LHV akibat variasi switching time................................................................................................
-x-
43
Gambar IV.7
Konversi tar dan ΔLHV sebagai fungsi dari ST............................
Gambar IV.8
Profil konsentrasi tar yang keluar-masuk reaktor untuk variasi
44
ST (a) 3600 detik, (b) 300 detik, dan (c) 1 detik............................ 46 Gambar IV.9
Profil konsentrasi CO yang keluar-masuk reaktor untuk variasi ST (a) 3600 detik, (b) 300 detik, dan (c) 1 detik............................ 47
Gambar IV.10
Profil konsentrasi H2 yang keluar-masuk reaktor untuk variasi ST (a) 3600 detik, (b) 300 detik, dan (c) 1 detik............................ 48
Gambar IV.11
Pengaruh variasi posisi umpan oksigen terhadap profil temperatur sesaat setelah aliran dibalik…………………………. 49
Gambar IV.12
Pengaruh variasi posisi umpan oksigen terhadap (a) Persen peningkatan gas CO, H2, dan LHV, (b) Perubahan konversi tar dan temperatur rata-rata................................................................. 50
Gambar IV.13
Fluktuasi umpan masuk oksigen secara periodik yang dioperasikan dalam aliran bolak balik........................................... 52
Gambar IV.14
Profil konsentrasi gas sebagai fungsi waktu pada beberapa titik pengamatan akibat fluktuasi umpan masuk oksigen secara periodik yang dioperasikan dalam aliran bolak balik.................... 53
Gambar IV. 15
Fluktuasi konversi tar dan LHV gas produk akibat pengaruh umpan oksigen dengan fungsi tangga pada titik maksimum 2% dan titik minimum 0,33%..............................................................
54
Gambar IV.16
Perbandingan nilai LHV gas produk dengan gas umpan..............
55
Gambar IV.17
Profil temperatur sebagai fungsi waktu pada beberapa titik pengamatan (a) tH = ¼ ST, (b) tH = ½ ST………………………... 56
Gambar IV.18
Perbandingan nilai (a) LHV, (b) Konversi tar, dan (c) Temperatur rata-rata untuk variasi tH = ½ ST dan tH = ¼ ST...............
Gambar IV.19
57
Peta hasil pencapaian konversi tar dan nilai LHV untuk beberapa variasi yang telah dilakukan........................................... 59
Gambar C.1
Profil temperatur fungsi waktu dengan berbagai variasi teknik start up........................................................................................... 67
Gambar C.2
Profil konsentrasi C7H8 dengan berbagai variasi teknik start up..
Gambar C.3
Profil konsentrasi CO dengan berbagai variasi teknik start up..... 69
Gambar C.4
Profil konsentrasi H2 dengan berbagai variasi teknik start up.....
- xi -
68
70
- xii -
DAFTAR TABEL
Tabel II.1
Perbandingan pemisahan fisik dan kimia ...........................................
7
Tabel II.2
Klasifikasi tar ......................................................................................
9
Tabel II.3
Model persamaan satu dimensi pada RABB ......................................
18
Tabel III.1
Model pseudo-homogeneous satu dimensi untuk simulasi RABB tanpa reaksi kimia ............................................................................... 24
Tabel III.2
Kondisi operasi dan parameter reaksi untuk simulasi RABB tanpa reaksi kimia ........................................................................................
25
Tabel III.3
Dimensi reaktor ..................................................................................
26
Tabel III.4
Komposisi umpan gas produser dalam fraksi mol .............................
29
Tabel III.5
Model pseudo-homogeneous RABB untuk menkonversikan tar .......
30
Tabel III.6
Kondisi operasi dan parameter reaksi simulasi RABB untuk mengkonversikan tar dalam gas produser ..........................................
31
Tabel IV.1
Penyimpangan hasil data simulasi terhadap hasil percobaan .............
38
Tabel IV.2
Nilai rata-rata temperatur di reaktor ...................................................
43
Tabel IV.3
Perubahan kandungan gas CO dan H2 dari kondisi awal gas masuk reaktor........................................................................................................... 45
Tabel IV.4
Komposisi laju alir massa keluar reaktor untuk beberapa variasi............................................................................................................ 58
Tabel IV.5
Tabel IV.6
Parameter
keberhasilan
untuk
beberapa
metode
operasi
RABB..................................................................................................
58
Variasi teknik start-up…………………………………………………...
60
- xii -
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A
Data Literatur.................................................................................... 64
Lampiran B
Contoh Perhitungan..........................................................................
65
Lampiran C
Data Mentah.....................................................................................
65
- ix -
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG SINGKATAN Nama RABB SSO
Reaktor Aliran Bolak-Balik Reaktor Unggun Tetap Satu Arah (Steady State Operational)
Pemakaian pertama kali pada halaman 1 22
LAMBANG av C cg cs E h0 K k0 L l Q R r T t U u X x
luas permukaan partikel tiap volume bed [m-1] konsentrasi [mol.m-3] kapasitas panas fase gas [J.kg-1K-1] kapasitas panas fase solid [J.kg-1K-1]
α0 β0 -ΔH εg εs ρg ρ οg ρs λeff
koefisien heat transfer [J.m-2.K-1.s-1] koefisien mass transfer [m.s-1] panas reaksi [J.mole-1] fraksi gas di unggun tetap [-] fraksi padat di unggun tetap [-] massa jenis gas [kg.m-3] massa jenis gas pada tekanan dan temperatur normal [kg.m-3] massa jenis solid [kg.m-3] konduktifitas panas efektif [J.detik-1.m-1.K-1]
energi aktivasi [m3.atm.mol-1] koefisien perpindahan panas konveksi (W.m-2.K-1)
konduktivitas panas isolasi [W.m-1.K-1] konstanta kecepatan reaksi [m3.mol-1.s-1] panjang reaktor [m] koordinat aksial [m] laju alir panas keluar [J.detik-1]
jari-jari reaktor [m] laju reaksi kimia [mol.m-3.detik-1] temperatur [K] watu [detik] kecepatan linier [m.detik-1] kecepatan linier mutlak [m.detik-1] fraksi mol [%] derajat konversi [-]
- xiii -
20 28 20 20 31 24 24 31 20 24 30 24 20 20 20 20 20 34 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
