PEMODELAN MATEMATIKA DIGESTER PULP KONTINYU
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh:
FAUZAN SAIFUDDIN NIM : 23004016 Program Studi Teknik Kimia
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
PEMODELAN MATEMATIKA DIGESTER PULP KONTINYU
Oleh :
Fauzan Saifuddin NIM: 23004016
Program Magister Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung
Menyetujui
Tanggal 5 Juni 2007
Pembimbing I:
Pembimbing II:
Dr. Ir. Yazid Bindar
Dr. Ir. Yogi Wibisono Budhi
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.
v
Teruntuk, Kedua Orang Tua, kakanda Vickry, Fahmilia dan Mas Sofyan, segala dukungan dan pertanyaan yang menjadi lecutan bagi semangat-ku. My Lovely Bun-bun and the family, untuk support dalam segala hal, Mengky dengan segala kenakalan dan keisengannya. Spesial buat Pak Yazid dan Pak Yogi sebagai pembimbing, serta Bu Tri di UNSRI. Tanpa melihat urutan, ucapan terima kasih aku sampaikan juga untuk: Mr. Biswas, for the time and opportunity, seluruh karyawan Acid Recovery Department, “sok pak, yang penting mah lancar ajah…”, Daus, Cecep, Dudi Marketing cs, Pak Ganda, untuk kamar dan temen begadang, Dosen-dosen di TK UNSRI yang baek sama saya (I Know who you are, you know who you are), Dosen-dosen di TK ITB yang sudah menjadikan saya “open minded”, Metrodata untuk laptop ekonomisnya, Kawan-kawan TK ITB (Ari, Teddy, Gandul, Pak patrik, Dini, Ira, Fitri, Ariel, Desdel, Mbak Diyah, Mbak endar, Welly, Reza (kamana yeuh….?), Meky, Icha, Fifi, Mas Jun, Ratih, Pak Rahmat(d?), Hendrik endut, Ripper, Amril, Jesse Ma’Bro), Noli dan Rita, sambutan di Palembang OK deh, Keluarga besar Muzayyinul Arifin Pekanbaru, para pembajak software, para pembajak lagu-lagu (hiburan untuk bikin tesis ini), “PEMBAJAKAN ADALAH PERLAWANAN……” Untuk seluruh Pejuang Islam di seluruh dunia, jika para pejuang Palestina adalah teroris maka do’akan saya agar menjadi teroris…., seluruh pemusik UNDERGROUND yang sebenarnya, kaum proletar dan mustadh’afin, aktivis 98 yang sebenarnya (perjuangan belum usai), dan semua orang yang mau berfikir.
Belajar karena ﷲSWT, mencarinya ibadah, menelaahnya sebagai tasbih, mendalami sebagai jihad, mengajarkannya kepada yang belum tahu adalah sedekah, menyampaikan kepada yang sudah tahu adalah kebaktian… Belajar adalah perlawanan terhadap pembodohan… iii
KATA PENGANTAR
Bismillahirrahmanirrahim, Puji syukur hanya kepada yang serba Maha, Allah SWT, kita haturkan, karena atas segala rahmat dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan tesis magister ini. Penelitian dengan judul Pemodelan matematika digester pulp kontinyu memiliki pengharapan agar hasil dari penelitian ini dapat berguna bagi kemajuan bangsa Indonesia.
Selama penerjaan tesis magister ini, penulis mendapatkan bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak. Penulis menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya pada bapak Dr. Ir. Yazid Bindar dan Dr. Ir. Yogi Wibisono Budhi selaku dosen pembimbing dari departement Teknik Kimia ITB, dan bapak Dr. IGD Arsa P, selaku
koordinator
penelitian Program Pasca Sarjana Teknik Kimia ITB. Ucapan terimakasih juga penulis ucapkan untuk seluruh staf, pengajar, dan tata usaha di lingkungan Teknik Kimia ITB, Ibu Dina dan Bapak Yudi di Balai Selulosa. Tak terlupakan bapak Ketut Piter F Gegel, bapak Suhari, bapak Ali Asral, Muzayyinul Arifin, Afrizal, serta seluruh karyawan di Pulp Making#8 PT Indah Kiat Pulp And Paper, Perawang, Riau.
Berbagai saran yang membangun sangat penulis harapkan agar tesis ini dapat menghasilkan sesuatu yang berguna bagi masyarakat Teknik Kimia khususnya dan masyarakat pada umumnya. Akhir kata, semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi pembaca yang berkepentingan.
Bandung, Mei 2007
Penulis
iv
ABSTRAK Pemodelan Matematika Digester Pulp Kontinyu Oleh Fauzan Saifuddin 23004016 Industri pulp dan kertas mengalami peningkatan yang amat pesat pada akhir abad 20, salah satu penyebabnya adalah makin meningkatnya kebutuhan manusia akan produk pulp dan kertas. Khusus untuk industri pulp yang sekarang bukan hanya untuk bahan baku industri kertas, namun juga sudah menjadi bahan baku industri lain seperti serat selulosa, yang menjadi bahan baku untuk industri tekstil dan nonwoven. Digester sebagai alat utama pada industri pulp, memiliki peranan yang penting sebagai penentu bagi kualitas pulp yang dihasilkan, sehingga diperlukan suatu kondisi optimal agar proses pada digester tersebut dapat menghasilkan produk yang diinginkan konsumen. Kondisi optimal tersebut dapat ditentukan dengan berbagai cara, salah satunya dengan pemodelan matematika digester pulp kontinyu menggunakan proses berbantukan komputer. Langkah awal simulasi proses berbantukan komputer ini, adalah menyusun model matematika yang mampu memberikan gambaran ataupun prediksi terhadap kelakuan proses. Pemodelan matematika ini melibatkan neraca massa seluruh komponen yang terlibat dalam digester, fenomena reaksi yang terjadi, serta dinamika solid liquid. Pemodelan matematika ini melalui beberapa tahap pendekatan, pendekatan pertama digester diasumsikan sebagai reaktor plug flow isotermal. Tahap selanjutnya sebagai reaktor tak isotermal tanpa suku difusi pada persamaan kesetimbangan termal, lalu dengan memasukkan suku difusi pada persamaan kesetimbangan termal. Verifikasi terhadap model matematika yang telah disusun dilakukan dengan membandingkan hasil yang didapatkan pada program komputer dengan data disain yang didapatkan serta hasil pada lapangan industri. Variabel-varibel yang diamati kelakuannya dalam simulasi ini adalah temperatur awal umpan masuk, bahan baku kayu yang digunakan, serta larutan pemasak yang digunakan. Hasil simulasi menggunakan asumsi reaktor tak isotermal dengan suku difusi pada persamaan kesetimbangan termal memberikan perbedaan selisih Bilangan Kappa yang lebih kecil dari 10%, bila dibandingkan dengan data rancangan. Kata kunci: Pemodelan, digester, simulasi dan verifikasi
i
ABSTRACTION Mathematical Modeling of Continuous Pulp Digester By
Fauzan Saifuddin 23004016. Pulp and Paper industries are growing very fast in the end of the 20th century; one of the causes is more and more the increasing of human being requirement for product from pulp and paper. Especially for pulp industry that not just act as raw material for paper industries, it’s also for another industries such as fiber cellulose that act as a raw material for textile and non-woven industries. Digester as a mean equipment of pulp industries, owning important role for quality of pulp that yielded, so that we need to observe for the optimal condition so that process at the digester can yielded best quality of pulp for consumer. The optimal condition can be determined variously, one of them is mathematical modeling for continuous digester pulp using process that assisted by computer. The first step of simulation by computer’s assist is arranging mathematical model that can give a prediction of how the process act. This mathematical model entangles mass balance for entire component that involve in the digester, phenomenon react that happened, and also liquid solid dynamics. This modeling using several assumptions, the first assumption is the digester pretended as plug flow reactor with isothermal approach. The next approaches are digester pretended as non isothermal plug flow reactor without diffusion component at the thermal equation, then the diffusion component included on thermal balance equation. Verification to mathematics model which have been compiled, to be done by comparing its result to the data from design and industrial. The variables that watched for are temperature of feed, raw materials properties, and the cooking liquor concentration. The result simulation using non isothermal reactor assumption with diffusion component on thermal balance equation gives differences of Kappa Number that smaller than 10% while it was compared with design data. Key words: Modeling, digester, simulation and verification
ii
DAFTAR ISI
ABSTRAK…………………………………………………………………………….
i
ABSTRACTION………………………………………………………………………
ii
Teruntuk………………………………………………………………………………
iii
KATA PENGANTAR………………………………………………………………..
iv
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS………………………………………………...
v
DAFTAR ISI………………………………………………………………………….
vi
DAFTAR LAMPIRAN……………………………………………………………….
ix
DAFTAR GAMBAR…………………………………………………………………
x
DAFTAR TABEL……………………………………………………………………
xiii
DAFTAR NOTASI……………………………………………………………………
xv
BAB I Pendahuluan………………………………………………………………….
1
1.1
Latar Belakang……………………………………………………………
1
1.2
Rumusan Masalah………………………………………………………..
3
1.3
Tujuan Penelitian…………………………………………………………
4
1.4
Ruang Lingkup……………………………………………………………
4
BAB II Tinjauan Pustaka…………………………..………………………………….
5
2.1 Sejarah dan Jenis Pembuatan Pulp…….……………………………….....
5
2.1.1 Proses Mekanis………………….…….…………………………….
8
2.1.2 Proses Semi-kimia……………….…….……………………………
8
2.1.3 Proses Kimia…………………….…….…………..………………...
9
2.2 Kayu………………………………………………………………………
11
2.2.1 Komponen Ekstraktif kayu……...…………………………………..
15
2.2.2 Hemiselulosa...………………………………………………………
16
2.2.3 Selulosa…...…………………………………………………………
18
2.2.4 Lignin………………………………………………………………..
19
2.3 Pulping dan Larutan Pemasak……….……………………………………
22
2.4 Bilangan Kappa………...…………………………………………………
26
2.5 Digester………………………..…………………………………………..
27
vi
2.5.1 Digester Batch………...…………………………………………….
28
2.5.2 Digester Kontinyu………...…………………………………………
33
2.5.2.1 Sejarah dan Perkembangan Digester Kontinyu……………..
33
2.5.2.2 Digester Kontinyu Bejana Tunggal…………………………
34
2.5.2.3 Digester Kamyr Dengan Dua Bejana…………….…………
36
2.6 Pengendalian Operasi…..……...…………………...……………………...
40
2.7 Kinetika Reaksi…………….….…………………………………………
41
BAB III Metodologi Penelitian……………………………………………………...
44
3.1 Metodelogi Umum…………...…………………………………………….
44
3.2 Pemodelan Digester Pulp……..…………………………………………...
45
3.3 Persamaan Kesetimbangan…..………………………………………….....
47
3.3.1 Zona Pemasakan (Cook Zone)……………………………………….
48
3.3.2 Zona MCC (Modified Cooking Continuous)………………………...
52
3.3.3 Zona EMCC (Extended Cooking Continuous)……….…...…………
52
3.4 Teknik penyelesaian persamaan…………………………………………..
55
3.5 Data Penunjang…………………………………………………………....
56
3.6 Verifikasi Model Matematika……………………………………………..
58
3.7 Pemilihan Variabel simulasi……………………………………………….
58
BAB IV Hasil dan Pembahasan……………………………………………………. 4.1 Kajian Model-Model Reaktor……………………………………………...
60 61
4.1.1
Model Reaktor Isotermal..………………………………………...
61
4.1.2
Model Reaktor tak Isotermal……………………….……………..
65
4.1.3
Model Reaktor tak Isotermal Disertai Suku Difusi...……………...
70
4.2 Verifikasi…………………………………………………………………...
74
4.2.1
Verifikasi Persamaan Bilangan Kappa……………….…………...
75
4.2.2
Verifikasi Neraca Massa…………………………………………..
76
4.2.3
Verifikasi Desain Data Operasi Pabrik……………………………
77
4.3 Pengaruh Varibel Proses…………………………………………………...
79
4.3.1
Pengaruh Temperatur Pemasakan………………………………....
79
4.3.2
Pengaruh Waktu Pemasakan………………………………………
81
4.3.3
Pengaruh Jenis Kayu Bahan Baku………………………………...
83
vii
4.3.4
Pengaruh Konsentrasi Larutan Pemasak…………………………..
84
Kesimpulan dan Saran……………………………………………………...
86
5.1 Kesimpulan………………..……………………………………………….
87
5.2 Saran……………………………………………………………………….
88
DAFTAR PUSTAKA…………………………………………………………………
90
BAB V
viii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1.
Diagram pembanding beberapa proses pembuatan pulp …………….....
7
Gambar 2.2.
Ilustrasi struktur dinding sel kayu ………………………………………
12
Gambar 2.3.
Komposisi umum pembentuk kayu pada dinding sel …………………...
13
Gambar 2.4.
Skema dari massa, volume, dan densitas komponen chips………………
14
Gambar 2.5.
Beberapa rumus kimia ekstraktif pada kayu…………………………......
16
Gambar 2.6.
Struktur molekul bahan utama pembentuk hemiselulosa………………...
17
Gambar 2.7.
Struktur kimia selulosa ………………………………………………….
19
Gambar 2.8.
Struktur kimia lignin …………………………………………………….
20
Gambar 2.9.
Komponen-komponen utama pembentuk lignin…………………..…......
21
Gambar 2.10. Displacement batch cooking……..……………………………………….
30
Gambar 2.11. Sistem sirkulasi pada digester batch…………………………………......
32
Gambar 2.12. Yield vs Bilangan Kappa pada sistem konvensial dan displacement…….
32
Gambar 2.13. Digester Kontinyu M&D…………………………………………………
34
Gambar 2.14. Kamyr Digester Kontinyu (sistem satu bejana)..………………………...
35
Gambar 2.15. Sistem pemanasan dan sirkulasi pencuci…………………………………
36
Gambar 2.16. Sistem digester bejana ganda…………………...………………...……...
37
Gambar 2.17. Contoh pengumpanan chips dengan steam bertekanan tinggi……………
38
Gambar 2.18. Stainer type stave pada digester kontinyu……………………..………...
39
Gambar 2.19. Outlet device pada ujung digester kontinyu……………………………..
40
Gambar 3.1.
Skema tahap-tahap penelitian …………………………………………
45
Gambar 3.2.
Skema aliran pada digester yang ditinjau pada pemodelan……………
46
Gambar 3.3.
Bagian kecil kontak antara liquid dan padatan………………...……….
48
Gambar 3.4.
Algoritma penyelesaian persamaan diferensial secara simultan..……...
56
Gambar 4.1.
Langkah-langkah serta tujuan pada tiap tahap-tahap pemodelan dan simulasi…………………………………………………………………
Gambar 4.2.
Distribusi Bilangan Kappa pada tiap zona, pemodelan isotermal. Titik menunjukkan data rancangan untuk tiap zona……………...………….
Gambar 4.3.
60
Profil konsentrasi komponen padatan pada pemodelan isotermal pada ketiga zona digester. HRL adalah High reactivity lignin , dan LRL
x
62
adalah Low Reactivity Lignin, Cell adalah Selulosa, Galacto adalah Galactoglucoman……………………………………………………….
63
Gambar 4.4.
Hubungan temperatur pemasakan dengan laju reaksi delignifikasi……...
64
Gambar 4.5.
Penurunan temperatur selama waktu pemasakan, FAPET ………………
64
Gambar 4.6.
Profil produk sepanjang digester pemodelan isotermal. DL adalah lignin yang terlarut pada lindi pemasak, DS adalah padatan yang terlarut pada lindi pemasak……………………………………………..
Gambar 4.7.
Distribusi Bilangan Kappa sepanjang digester, dengan asumsi tak isotermal tanpa difusi, titik adalah data rancang……………………….
Gambar 4.8.
65 67
Profil konsentrasi komponen padatan pada pemodelan isotermal pada ketiga zona digester, HRL adalah High reactivity lignin , dan LRL adalah Low Reactivity Lignin, cell adalah selulosa, dan galacto adalah galactoglucoman…………………………………………………………
Gambar 4.9.
67
Profil produk pada zona pertama pemodelan tak isotermal. DL adalah lignin yang terlarut pada lindi pemasak, DS adalah padatan yang terlarut pada lindi pemasak……………………………………………...
68
Gambar 4.10. Profil temperatur sepanjang zona pertama digester, pemodelan tak isotermal tanpa difusi……………………………………………………
69
Gambar 4.11. Profil Bilangan Kappa sepanjang digester, pemodelan tak isotermal difusi, ● menunjukkan data rancang …………………………………….
72
Gambar 4.12. Profil konsentrasi komponen padatan pada pemodelan isotermal dengan difusi pada ketiga zona digester, HRL adalah High reactivity lignin , LRL adalah Low Reactivity Lignin, Cell adalah selulosa, dan galactoglucoman…………………………………………………………
73
Gambar 4.13. Profil temperatur sepanjang digester, pemodelan tak isotermal difusi….
74
Gambar 4.14. Perbandingan antara dua persamaan Bilangan Kappa yang diberikan pada bab II……………………………………………………………….
75
Gambar 4.15. Profil Bilangan Kappa sepanjang digester dengan temperatur awal yang berbeda……………………………………………………………………
81
Gambar 4.16. Profil Bilangan Kappa sepanjang digester dengan variasi waktu pemasakan. Keterangan waktu reaksi terdapat pada Tabel 4.7……….….
xi
82
Gambar 4.17. Profil Bilangan Kappa sepanjang digester dengan bahan baku yang berbeda……………………………………………………………………
84
Gambar 4.18. Profil Bilangan Kappa dengan variasi konsentrasi awal larutan pemasak, variasi konsentrasi diberikan pada tabel 4.8……………………………...
86
Gambar B.1
Beberapa contoh chips pada industri……………………………………..
95
Gambar B.2
Diagram alir proses pembuatan pulp pada pabrik yang digunakan sebagai tempat pengambilan data operasi untuk verifikasi pemodelan matematika……………………………………………………………......
Gambar B.3 Gambar B.4
96
Perbandingan digester jenis bejana tunggal dan ganda, bagian kiri menggambarkan jenis bejana tunggal, bagian kanan jenis bejana ganda...
97
Digester pada pulp making yang digunakan sebagai bahan verifikasi…...
98
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1
Total kebutuhan dan produksi pulp dalam negeri (1994-2003)……….
1
Tabel 2.1
Perkembangan teknologi pulp dan kertas ..……………........................
5
Tabel 2.2
Perbandingan teknologi pulping ………………………………………
7
Tabel 2.3
Konsentrasi rata-rata komponen pembentuk kayu, dinyatakan dalam satuan kg/m3……………………………………………………………
Tabel 2.4
12
Istilah-istilah yang digunakan pada pembuatan pulp menggunakan proses Kraft…………………………………………………………….
25
Tabel 2.5
Komposisi kimia lindi putih……………………………………………
26
Tabel 2.6
Komposisi kimia lindi hitam…………………………………………...
26
Tabel 2.7
Tahap-tahap pada Displacement batch cooking………………………..
29
Tabel 3.1
Komponen yang terlibat pada proses delignifikasi…………………….
48
Tabel 3.2
Faktor Pre-eksponansial untuk komponen padatan…………………….
50
Tabel 3.3
Persamaan yang digunakan pada zona cook …………………………..
51
Tabel 3.4
Persamaan yang digunakan pada zona MCC ………………………….
53
Tabel 3.5
Persamaan yang digunakan pada zona EMMC………………………...
54
Tabel 3.6
Data rancangan untuk pemodelan matematika digester pulp…………..
57
Tabel 3.7
Nilai variabel proses yang digunakan pada pemodelan matematika digester pulp……………………………………………………………
Tabel 4.1
59
Perbandingan Bilangan Kappa rancangan dengan hasil simulasi, asumsi reaktor isotermal……………………………………………….. 61
Tabel 4.2
Perbandingan Bilangan Kappa rancangan dengan hasil simulasi, asumsi reaktor tak isotermal tanpa suku difusi………………………..
Tabel 4.3
Perbandingan Bilangan Kappa rancangan dengan pemodelan, asumsi tak isotermal dengan suku difusi…………………………………….....
Tabel 4.4
71
Nilai konsentrasi padatan, DS (padatan terlarut) dan DL (lignin terlarut) pada ujung zona pemasakan pertama (kg/m3)………………...
Tabel 4.5
66
76
Perbandingan Bilangan Kappa yang didapat dari simulasi dengan data pabrik. Bilangan Kappa data rancangan adalah 29, satuan kg/m3……..
xiii
79
Tabel 4.6
Variasi temperatur , satuan Kelvin……………………………………..
80
Tabel 4.7
Variasi waktu pemasakan, satuan menit……………………………….
82
Tabel 4.8
Kondisi operasi yang digunakan pada simulasi pengaruh bahan baku...
84
Tabel 4.9
Variasi konsentrasi awal larutan pemasak……………………………..
85
Tabel A.1
Kapasitas Panas Kayu (FAPET)………...……………………………..
92
Tabel A.2
Panas pembentukkan tiga komponen utama pembentuk lignin, disarikan dari Perry, edisi 6…………………………………………….
Tabel B.1
Tabel B.2
93
Tinggi zona-zona pemasakan pada salah satu industry pulp di Indonesia……………………………………………………………….
98
Perbandingan data rancangan teoritis dengan kondisi pabrik………….
99
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A
Data-data…………………………………………………………. A.1 Kapasitas Panas Kayu………………………………………. A.2 Panas Reaksi………………………………………………... A.3 Suku Difusi Pada Persamaan Kesetimbangan Termal………
92 92 92 94
LAMPIRAN B
Deskripsi Proses Pabrik Pulp dan kertas…………………………
95
ix
DAFTAR NOTASI Notasi A
β EAC
β EAL β HSL D DE EAi EBi η Kn kA0i kB0i
θ ρ s 0i ρl 0i
Keterangan Cross section area pada digester(m2) Koefisien stoikiometri massa efektif alkali yang dikonsumsi/massa karbohidrat yang bereaksi Koefisien stoikiometri massa efektif alkali yang dikonsumsi/massa lignin yang bereaksi Koefisien stoikiometri massa hidrosulfit (HS) yang dikonsumsi/massa lignin yang bereaksi Koefisien difusi (m2/detik) Difusifitas efektif, jumlah energi yang berpindah karena difusi (J/m3) Energi aktivasi (kJ/gmol) Energi aktivasi (kJ/gmol) Fraksi volume larutan Bilangan Kappa di akhir zona Faktor pre-eksponensial (m3larutan/menit/kgEA) Faktor pre-eksponensial (m3larutan/menit/(kgEA)0.5 ) Faktor ke-efektifan reaksi Densitas komponen padatan pada saat awal (kg/m3 padatan) Densitas komponen liquid pada saat awal (kg/m3 liquid)
ρ∞
Komponen padatan yang tidak bereaksi (kg/m3 padatan)
R T μL μS z
Konstanta gas (kJ/gmol K) Temperatur reaksi (K) Laju alir volumetrik larutan (m3/menit) Laju alir volumetrik padatan (m3/menit) Panjang digester (m)
si
xv
