TUGAS AKHIR STUDI EKSPERIMEN PENGARUH UKURAN BAHAN BAKAR TERHADAP KERJA PADA REAKTOR FLUIDIZED BED GASIFIER
Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh: ARY DESCESAR PRASETYA WIBAWA D 200 100 122
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2016
ii
iii
iv
v
MOTTO “Hai manusia, sesungguhnya kami menciptakan kamu dari seorang lakilaki dan seorang perempuan dan menjadikan kamu berbangsa-bangsa dan bersuku-suku supaya kamu saling kenal-mengenal. Sesungguhnya orang yang paling mulia diantara kamu disisi Allah ialah orang yang paling taqwa diantara kamu. Sesungguhnya Allah Maha Mengetahui lagi Maha Mengenal”. (QS. Al-Hujuraat : 13) “Sesungguhnya kehidupan dunia hanyalah permainan dan senda gurau. Dan jika kamu beriman dan bertaqwa, Allah akan memberikan pahala kepadamu dan Dia tidak akan meminta harta-hartamu”. (QS : Muhammad : 36) “Ilmu tanpa agama adalah lumpuh, dan agama tanpa ilmu adalah buta” (Albert Einstein) “When someone abuses you, it is a compliment that so far they spend a lot of time thinking about you, even when you do not think about them” (B.J. Habibie)
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Assalamu’alaikum Wr. Wb Dengan penuh mengharap ridho Allah SWT, teriring perasaan syukur dan sabar yang mendalam serta penghargaan yang tinggi, setelah melewati berbagai ujian dalam perjuangan yang tak kenal lelah, Saya mempersembahkan Tugas Akhir ini kepada : 1. Ayah dan Ibu yang dengan segala doa, bimbingan, pengertian, perhatian, kasih sayang, kesabaran, keikhlasan dan pengorbanannya yang sangat besar kepada saya dan adik saya yang menjadi saudara yang senantiasa mendukung dan memberikan semangat kepada saya untuk selalu senantiasa berusaha sebaik mungkin. 2. Nur Aklis, ST., M. Eng. selaku dosen pembimbing akademik dan dosen pembimbing tugas akhir yang telah bersedia menasehati, memberikan bimbingan, catatan serta meluangkan waktu, tenaga, pikiran dan segala perhatiannya kepada kami sehingga kami selalu bersemangat dan termotivasi untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik. Kami minta maaf jika selama ini kami melakukan kesalahan baik dalam bimbingan tugas akhir maupun yang lainnya. 3. Teman seperjuangan tugas akhir Feri Rudiyanto, terimakasih atas kerjasama dan bantuannya. 4. Teman-teman angkatan 2010 teknik mesin yang selalu kompak, dan saling menyemangati.
vii
5. Dosen Universitas Muhammadiyah Surakarta, wabil khusus Jurusan Teknik Mesin yang telah membimbing saya didalam perkuliahan maupun yang lainnya. 6. Honda Supra Fit B 6675 FGM yang senantiasa menemani dari awal saya kuliah sampai saat ini.
Wassalamu’alaikum. Wr. Wb.
viii
KATA PENGANTAR
Assalamu’alaikum Wr. Wb Sesungguhnya, segala puji hanyalah milik Allah, atas segala rahmat dan karunia- Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Sholawat dan salam semoga senantiasa tercurah kepada Nabi Muhammad SAW. Juga kepada keluarga, para sahabat serta orang-orang yang setia mengikuti mereka hingga hari akhir. Tugas Akhir yang berjudul “STUDI EKSPERIMEN PENGARUH UKURAN BAHAN BAKAR TERHADAP KERJA PADA REAKTOR FLUIDIZED BED GASIFIER” ini disusun untuk memenuhi persyaratan Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh keikhlasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada : 1. Bapak Ir. Sri Sunarjono, MT. Ph, D selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Bapak Tri Widodo Besar Riyadi, ST, M.Sc, Ph. D. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
ix
x
STUDI EKSPERIMEN PENGARUH UKURAN BAHAN BAKAR TERHADAP KERJA PADA REAKTOR FLUIDIZED BED GASIFIER Ary Descesar Prasetya Wibawa, Nur Aklis Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos l Pabelan, Kartasura Email :
[email protected] ABSTRAKSI Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana pengaruh ukuran partikel bahan bakar terhadap kinerja reaktor tipe fluidized bed. Penelitian dilakukan pada reaktor dengan ukuran diameter 454,38 mm dan tinggi ruang bakar 908,5 mm. Bahan bakar yang digunakan adalah sekam padi dengan variasi ukuran 1,54 mm, 1,84 mm, dan 2,17 mm. Sedangkan partikel bed yang digunakan adalah pasir silika dengan ukuran 0,54 mm. Data yang diambil meliputi kecepatan minimum fluidisasi, temperatur reaktor, lama reaksi, lamanya waktu untuk mendidihkan air sebanyak 2 liter. Untuk satu kali proses pembakaran digunakan 5 kg sekam padi, 10 kg pasir silika, dan kapur 1 kg. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ukuran bahan bakar berpengaruh terhadap kecepatan minimum fluidisasi. Temperatur rata-rata reaktor tertinggi sebesar 237 (°C) yaitu pada pengujian dengan menggunakan variasi sekam padi ukuran 1,84 mm. Lama reaksi tercepat yaitu 55 menit yang dilakukan pada pengujian dengan menggunakan variasi sekam padi ukuran 1,54 mm. Waktu tercepat untuk mendidihkan air sebanyak 2 liter yaitu 40 menit pada pengujian dengan menggunakan sekam padi ukuran 2,17 mm. Jumlah kalor gas hasil gasifikasi terbesar yang dihasilkan yaitu 1870,083 kJ yang dilakukan pada pengujian dengan menggunakan sekam padi ukuran 1,54 mm. Kata Kunci : Sekam Padi, Fluidized Bed Gasifier, Ukuran Bahan Bakar.
xi
STUDY EXPERIMENTAL THE EFFECT OF SIZE OF FUEL TO WORK ON REACTOR FLUIDIZED BED GASIFIER Ary Descesar Prasetya Wibawa, Nur Aklis Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos l Pabelan, Kartasura Email :
[email protected] ABSTRACTION The aims of the research is to determine the effect of fuel particle size on the performance of fluidized bed reactor. The research was performed on reactor with a diameter of 454.38 mm and 908.5 mm combustion chamber high. The fuel used rice husk with the variation of size 1.54 mm, 1.84 mm, 2.17 mm and particles bed is silica sand used with the size of 0.54 mm. The data are taken contained of the minimum speed fluidization, the temperature of the reactor, time of reaction, length of time to boil the water by as much as 2 liters. The combustion process for a one time use 5 kg of rice husk, 10 kg of silica sands, and chalk 1 kg. The results showed that the size of the fuel affects the minimum speed fluidization. Average temperature highes of reactor is 237 (°C) during the examination with rice husk using a variation of size 1.84 mm. Fastest time of reaction is 55 minute conducted on the examination by using a variation of rice husk size 1.54 mm. Fastest time to boil water as much as 2 liters is 40 minutes on an examination by using rice husk size 2.17 mm. Greatest amount of heat is generated that is 1870.083 kJ conducted on the examination using rice husk size 1.54 mm.
Keywords: Rice Husk, Fluidized Bed Gasifier, The Size Of The Fuel.
xii
DAFTAR ISI Halaman Judul ………………………………………………………………….. i Pernyataan Keaslian Tugas Akhir …………………………………………… ii Halaman Persetujuan ………………………………………………………… iii Halaman Pengesahan ………………………………………………………... iv Lembar Soal Tugas Akhir …………………………………………………….. v Halaman Motto ………………………………………………………………… vi Halaman Persembahan ……………………………………………………….vii Kata Pengantar ………………………………………………………………... ix Abstraksi ……………………………………………………………………….. xi Abstraction …………………………………………………………………….. xii Daftar Isi ………………………………………………………………………. xiii Daftar Gambar ………………………………………………………………...xvi Daftar Tabel …………………………………………………………………..xviii Daftar Simbol ………………………………………………………………….xix BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang …………………………………………………….. 1 1.2 Perumusan Masalah ……………………………………………… 2 1.3 Batasan Masalah ………………………………………………….. 3 1.4 Tujuan Penelitian ………………………………………………….. 3 1.5 Manfaat Penelitian ………………………………………………… 4 1.6 Metodologi Penelitian …………………………………………….. 4 1.7 Sistematika Penulisan ……………………………………………. 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Pustaka …………………………………………………. 6 2.2 Dasar Teori ………………………………………………………… 9 2.2.1 Biomassa ……………………………………………………. 9 2.2.2 Karakteristik Biomassa Sekam Padi ……………………. 10 2.2.3 Gasifikasi ……………………………………………………11 2.2.4 Jenis-jenis Reaktor Gasifikasi …………………………… 13
xiii
2.2.5 Fluidisasi …………………………………………………… 18 2.2.6 Pengaruh Ukuran Partikel Terhadap Kecepatan Minimum Fluidisasi ………………………………………. 20 2.2.7 Pasir Silika/Pasir Kuarsa ………………………………… 25 2.2.8 Kalor ………………………………………………………... 29 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tahapan Penelitian ……………………………………………… 32 3.1.1 Diagram Alir Penelitian …………………………………… 32 3.1.2 Tahapan Penelitian ………………………………………. 33 3.2 Alat dan Bahan …………………………………………………... 35 3.2.1 Alat …………………………………………………………. 35 3.2.2 Alat Pelengkap ……………………………………………. 39 3.2.3 Bahan ………………………………………………………. 40 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Kecepatan Minimum Fluidisasi ………………………………… 41 4.1.1 Kecepatan Minimum Fluidisasi Pada Sekam Padi Ukuran 1,54 mm ………………………………………….. 41 4.1.2 Kecepatan Minimum Fluidisasi Pada Sekam Padi Ukuran 1,84 mm ………………………………………….. 42 4.1.3 Kecepatan Minimum Fluidisasi Pada Sekam Padi Ukuran 2,17 mm ………………………………………….. 43 4.1.4 Pembahasan Kecepatan Minimum Fluidisasi ……….... 44 4.2 Temperatur Pada Reaktor ……………………………………… 45 4.2.1 Temperatur Rata-rata Reaktor Pada Sekam Padi Ukuran 1,54 mm ………………………………………….. 45 4.2.2 Temperatur Rata-rata Reaktor Pada Sekam Padi Ukuran 1,84 mm ………………………………………….. 46 4.2.3 Temperatur Rata-rata Reaktor Pada Sekam Padi Ukuran 2,17 mm ………………………………………….. 47 4.2.4 Perbandingan Temperatur Pasir Silika Pada 3 Variasi Ukuran Sekam Padi …………………………... 49
xiv
4.2.5 Perbandingan Temperatur Rata-rata Bahan Bakar Pada 3 Variasi Ukuran Sekam Padi ……………………. 51 4.2.6 Perbandingan Temperatur Rata-rata Free Board Pada 3 Variasi Ukuran Sekam Padi ……………………. 53 4.3 Temperatur Titik Api ………………………………………………55 4.3.1 Temperatur Titik Api Pada Sekam Padi Ukuran 1,54 mm ………………………………………….. 55 4.3.2 Temperatur Titik Api Pada Sekam Padi Ukuran 1,84 mm ………………………………………….. 56 4.3.3 Temperatur Titik Api Pada Sekam Padi Ukuran 2,17 mm ………………………………………….. 57 4.3.4 Perbandingan Lama Reaksi Pada 3 Variasi Ukuran Sekam Padi ……………………………………… 58 4.4 Temperatur Pendidihan Air …………………………………….. 60 4.4.1 Temperatur Pendidihan Air Pada Sekam Padi Ukuran 1,54 mm ………………………………………….. 60 4.4.2 Temperatur Pendidihan Air Pada Sekam Padi Ukuran 1,84 mm ………………………………………….. 61 4.4.3 Temperatur Pendidihan Air Pada Sekam Padi Ukuran 2,17 mm ………………………………………….. 62 4.4.4 Perhitungan Kalor Gas Hasil Gasifikasi ……………….. 63 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ……………………………………………………….. 68 5.2 Saran ……………………………………………………………… 69 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
xv
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Reaktor Gasifikasi Tipe Downdraft ………………………….. 13 Gambar 2.2 Reaktor Gasifikasi Tipe Crossdraft ………………………….. 14 Gambar 2.3 Reaktor Gasifikasi Tipe Updraft ……………………………... 15 Gambar 2.4 Bubbling Fluidized Bed Gasifire ……………………………... 17 Gambar 2.5 Circulating Fluidized Bed Gasifire …………………………… 17 Gambar 2.6 Ilustrasi Fluidisasi ……………………………………………... 18 Gambar 2.7 Fenomena fix bed ……………………………………………... 22 Gambar 2.8 Fenomena minimum or incipient fluidization ………………. 22 Gambar 2.9 Fenomena smooth or homogenously fluidization ………….. 23 Gambar 2.10 Fenomena bubbling fluidization ……………………………. 23 Gambar 2.11 Fenomena slugging fluidization ……………………………. 24 Gambar 2.12 Fenomena chanelling fluidization ………………………….. 24 Gambar 2.13 Fenomena disperse fluidization ……………………………. 24 Gambar 2.14 Diagram Klasifikasi Jenis-jenis Pasir ……………………… 26 Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ……………………………………….. 32 Gambar 3.2 Skema reaktor gasifikasi tipe fluidized bed ………………… 35 Gambar 4.1 Grafik kecepatan minimum fluidisasi pada sekam padi ukuran 1,54 mm ………………………………… 41 Gambar 4.2 Grafik kecepatan minimum fluidisasi pada sekam padi ukuran 1,84 mm ………………………………… 42 Gambar 4.3 Grafik kecepatan minimu fluidisasi pada sekam padi ukuran 2,17 mm ………………………………… 43 Gambar 4.4 Grafik perbandingan temperatur rata-rata reaktor pada sekam padi ukuran 1,54 mm ………………………….. 45 Gambar 4.5 Grafik perbandingan temperatur rata-rata reaktor pada sekam padi ukuran 1,84 mm ………………………….. 46 Gambar 4.6 Grafik perbandingan temperatur rata-rata reaktor pada sekam padi ukuran 2,17 mm ………………………….. 48
xvi
Gambar 4.7 Grafik perbandingan temperatur pasir silika pada tiga variasi ukuran sekam padi ……………………………… 49 Gambar 4.8 Grafik perbandingan temperatur rata-rata bahan bakar pada tiga variasi ukuran sekam padi ………….…….. 51 Gambar 4.9 Grafik perbandingan temperatur rata-rata free board pada tiga variasi ukuran sekam padi ……………………….. 53 Gambar 4.10 Grafik temperatur titik api pada sekam padi ukuran 1,54 mm ……………………………………………….. 55 Gambar 4.11 Grafik temperatur titik api pada sekam padi ukuran 1,84 mm ……………………………………………….. 56 Gambar 4.12 Grafik temperatur titik api pada sekam padi ukuran 2,17 mm ……………………………………………….. 57 Gambar 4.13 Grafik perbandingan temperatur titik api pada tiga variasi ukuran sekam padi ……………………….. 58 Gambar 4.14 Grafik temperatur pendidihan air pada sekam padi ukuran 1,54 mm ………………………………… 60 Gambar 4.15 Grafik temperatur pendidihan air pada sekam padi ukuran 1,84 mm ………………………………… 61 Gambar 4.16 Grafik temperatur pendidihan air pada sekam padi ukuran 2,17 mm ………………………………… 62 Gambar 4.17 Grafik perbandingan temperatur pendidihan air pada 3 variasi ukuran sekam padi ………………………….. 63
xvii
DAFTAR TABEL Tabel 1. Analisis ultimate biomassa sekam padi ………………………… 11 Tabel 2. Analisis proximate biomassa sekam padi ………………………. 11 Tabel 3. Ukuran standar ayakan …………………………………………… 28 Tabel 4. Tabel kecepatan minimum fluidisasi pada ketiga variasi ukuran sekam padi ………………………………………………... 44 Tabel 5. Tabel perhitungan kalor sensibel air pada sekam padi ukuran 1,54 mm …………………………………………………… 64 Tabel 6. Tabel perhitungan kalor sensibel air pada sekam padi ukuran 1,84 mm …………………………………………………… 64 Tabel 7. Tabel perhitungan kalor sensibel air pada sekam padi ukuran 2,17 mm ........................................................................ 65 Tabel 8. Tabel perhitungan kalor laten air ………………………………… 66 Tabel 9. Tabel jumlah kalor sensibel dan kalor laten air ………………… 66
xviii
DAFTAR SIMBOL
Simbol
Satuan
Umf
= Kecepatan minimum fluidisasi
(m/s)
dp
= Diameter partikel
(meter)
ρf
= Densitas udara
(kg/m3)
g
= Percepatan gravitasi
(9,81 m/s2)
µ
= Viskositas udara
(Pa.s)
QS
= Kalor sensibel air
(Joule)
m
= Massa air
(kg)
cp
= Kalor jenis air
(kJ/kg °C)
ΔT
= T2 – T1 (perubahan suhu)
(°C)
QL
= Kalor laten air
(Joule)
muap
= Massa uap air
(kg)
hfg
= Enthalpy penguapan
(kJ/kg)
QT
= Total kalor gas hasil gasifikasi
(Joule)
xix
