Wusana Agung Wibowo Universitas Sebelas Maret (UNS)
Prof. Dr. Herri Susanto Institut Teknologi Bandung (ITB) Bandung, 20 Oktober 2009
Latar Belakang Gasifikasi biomassa
Permasalahan • •
• •
Aplikasi
Integrasi dengan mesin Diesel-genset untuk produksi listrik
Kondensasi tar Kelarutan sebagian komponen tar dalam air
•
Jenis minyak Kondisi operasi absorpsi Parameter Perancangan alat
Penyerapan berbasis minyak Titik didih minyak lebih tinggi atau hampir sama dengan titik didih komponen tar Konsep absorbsi-desorbsi dapat diterapkan
Syarat gas produser bersih untuk aplikasi integrasi dengan mesin Diesel-genset: Kandungan tar 10 - 50 mg/Nm3, kandungan partikel 10 – 50 mg/Nm3, temperatur gas dibawah 50 oC
2
Rumusan Masalah
Densitas Viskositas Tegangan muka
Luas kontak Waktu tinggal Difusivitas
Temperatur
Koef. Transfer
Tekanan Laju alir gas
3
Tujuan Penelitian
Penelitian ini merupakan suatu bagian pengembangan teknologi pembersihan gas hasil gasifikasi biomassa dengan prinsip absorbsi-desorbsi menggunakan pelarut berbasis minyak. Tujuan penelitian: a. mempelajari peristiwa transfer massa gas-cair pada proses absorpsi komponen tar dalam minyak b. menentukan nilai koefisien transfer massa volumetrik fase cair (KLa)
4
Tinjauan Pustaka Diagram Alir Proses Pemisahan Tar (Absorpsi-Desorpsi berbasis minyak/ Proses OLGA) Energy Research Centre of the Netherlands (ECN) Collector
Absorber
Stripper Tar cair dan minyak, ke gasifier
Gas produser bebas tar Udara dengan kandungan tar dan minyak teruapkan, ke gasifier
Gas produser dengan kandungan tar
Make-up minyak Pompa Udara
Pompa
Pompa
(Boerrigter,et al., 2005)
5
Tinjauan Pustaka Hasil Penelitian Pemisahan Tar dengan Proses OLGA skala laboratorium (ECN) Inlet Absorber
Kelas Tar
Total tar
Kelas 3
Outlet Absorber
Kelas 3
(Bergman, et.al., 2005)
Tingkat pemisahan
Kelas-1 Fragmen biomassa
100 %
Kelas-2 fenol, kresol, piridin, quilonin
97 %
Kelas-3 toluen, xilen, etilbenzen
65 %
Kelas-4 Naptalen, indena, bipenil, antrasen
100 %
Kelas-5 fluoranten, krisen, piren
100 %
Kelas-6 tidak diketahui
99 %
Total tar
6
Tinjauan Pustaka Transfer massa gas-cair Jika yang ditinjau hanya transfer massa pada fasa cair, maka perubahan konsentrasi A (mol A / volum) di fasa cair merupakan fungsi waktu:
dc AL K L a.(c*A c AL ) dt
…………..(1)
Faktor a dan koefisien transfer massa tergantung pada geometri alat transfer massa dan kecepatan kedua arus (gas dan cair), maka biasanya digabung sebagai suatu hasil perkalian yaitu KLa, dan disebut sebagai koefisien transfer massa volumetris fasa cair (Hardjono, 1989). Hasil integrasi persamaan (1) menghasilkan:
ln(c *A c AL ) K L a.t C
…………..(2)
Konsentrasi komponen tar dalam minyak pada interval waktu tertentu (cAL, mol/L) dan konsentrasi kesetimbangan (cA*, mol/L) diukur melalui eksperimen. Nilai KLa merupakan kemiringan garis pada kurva -ln(cA*- cAL) terhadap waktu (t). 7
Tinjauan Pustaka Model estimasi nilai koefisien transfer massa fasa cair (KL) Beberapa model estimasi nilai koefisien transfer massa fasa kontinyu/cair berdasarkan kondisi bilangan Re aliran gas adalah sebagai berikut: 1.
Re < 10 korelasi Rowe:
Shc 2, 076(Re) 0,5 ( Sc ) 0,5 2.
…………..(3)
10 < Re < 100 model estimasi koefisien transfer massa fasa cair dapat menggunakan korelasi GFT:
Shc 126 1,8(Re) 0,5 ( Sc )0,42………(4) 3.
4.
atau korelasi Higbie:
1/ 2
4 DABU T kL …………..(5) db
Re > 200 mengunakan korelasi Garner-Tayeban:
Sherwood (Shc) :
Reynold (Re):
Schmit (Sc):
Shc
k L .d b DAB
db .U G . Sc .DAB
Re
Shc 50 0, 0085(Re)( Sc ) 0,7…………..(6) 8
Tinjauan Pustaka Koefisien difusi zat terlarut A mendifusi ke dalam pelarut B (DAB) Fey dan Bart (2001), dalam penelitiannya menggunakan korelasi yang diajukan oleh Scheibel:
DAB
3V 2 / 3 T 8, 2 x108 1 B VA .VA1/ 3
…………..(7)
Volum molar zat terlarut A (VA) dan pelarut B (VB) ditentukan berdasarkan hukum Kopp
Diameter gelembung (db) Pohorecki, et.al. (2005), mengajukan korelasi untuk menghitung diametar gelembung (db) sebagai fungsi sifat fisik cairan (densitas (r), viskositas (m), tegangan muka (s)) dan kecepatan superfisial gas (UG):
d b 0, 289 0,552 0,048 0,442U G0,124
…………..(8)
9
Tinjauan Pustaka Kecepatan superfisial gelembung (UG) UG dianggap sama dengan kecepatan linier gas:
U G h / tg
…………..(9)
Kecepatan terminal gelembung (UT) Sinha dan Lahiri (1987), menggunakan persamaan yang diajukan oleh Clift, et.al. untuk menghitung kecepatan terminal gelembung (UT). Untuk diameter gelembung di atas 0,0013 m, kecepatan terminal gelembung dapat diestimasi menggunakan persamaan berikut:
U T (2,14 0,505 g .db )1/ 2 .db
…………..(10)
Luas antar-muka gas-cair per unit volum (a)
a
24Q Dk2U G d b
…………..(11)
10
Metodologi Penelitian Penyiapan bahan
Model gas produser
Minyak A Minyak B
Minyak B (perbedaan berat molekul dan viskositas)
Percobaan penyerapan
Percobaan Kejenuhan
Variasi laju alir gas umpan Variasi temperatur minyak
Variasi temperatur minyak
Analisis gravimetrik
Jumlah massa model tar terserap dalam minyak
Dasar perancangan unit absorpsi
Variasi temperatur minyak: 28 oC,
Model estimasi nilai KLa
Nilai KLa
59 oC dan 92 oC
Percobaan laboratorium kolom gelembung Jumlah komponen model tar terserap di dalam minyak
Nilai KLa dan model estimasi yang sesuai Studi pemilihan tipe kontaktor gas-cair
Variasi laju alir gas umpan: 0,063 ; 0,043 & 0,032 L/menit
Analisis gravimetrik Jumlah massa model tar terserap dalam minyak
Model gas produser: toluen atau fenol dalam aliran udara
Data gelembung
Jenis minyak: Minyak A dan
metode gravimetrik
Data tambahan: Jumlah gelembung per satuan waktu & waktu tinggal gelembung 11
Metodologi Penelitian Rangkaian alat percobaan
Regulator
Pipa Venturi
Thermo Thermo controller controller 02 03
Thermo controller 01
2 1 Dry-B Wet-B Tabung Tabung Tabung Tabung 04 03 05 01
3 Tabung 02
Kran 02 TermoKran meter 03
Kran 01 Blower Manometer 01
Batu es+air+garam Bath pendingin 01
Bath pemanas 01 Tabung Tabung Tabung 06 07 08
Pemanas sabuk
Bath pemanas 02
Tabung Tabung Tabung 09 10 11
Keterangan: 1
Unit pengeringan udara
2
Unit pencampuran udara-tar
3
Unit penyerapan tar
4
Unit analisis
Manometer 02
Batu es+air+garam Bath pendingin 02
Mano- Batu es+air+garam meter Bath pendingin 03 03 4
12
Hasil Penelitian Sifat fisika minyak uji Sifat
Minyak A Minyak B
Air
Berat molekul, g/mol (pustaka)
di atas 800
di bawah 500
18
Titik didih (pada 1 atm), oC (pustaka)
di atas 200
340 – 500
100
Viskositas, cP (pengukuran pada 30 oC)
63
12811
0,8
Densitas, g/mL (pengukuran pada 30 oC)
0,91
0,89
1,00
0,01
31,82
Tekanan uap, mmHg pada di bawah 30 oC (pustaka) 0,05
Berat molekul minyak A lebih besar dari minyak B Viskositas minyak A jauh lebih kecil daripada minyak B
13
Hasil Penelitian Data hasil percobaan (cAL, mol/L) T (oC)
28
59
92
Q (L/min) 0,063 0,063 0,043 0,043 0,032 0,032 cA * 0,063 0,063 0,043 0,043 0,032 0,032 cA * 0,063 0,063 0,043 0,043 0,032 0,032 cA *
Toluen – Oil A 0,0055 0,0052 0,0062 0,0061 0,0606 0,0078 0,0071 0,0109 0,0075 0,0419 0,0021 0,0064 0,0013 0,0061 0,0177
Fenol – Oil A 0,0037 0,0048 0,0037 0,0102 0,0342 0,0020 0,0016 0,0030 0,0021 0,0222 -
Toluen – Oil B 0,0052 0,0056 0,0063 0,0061 0,0563 0,0067 0,0090 0,0046 0,0082 0,0374 0,0025 0,0031 0,0016 0,0054 0,0165
Fenol – Oil B 0,0034 0,0031 0,0022 0,0021 0,0101 0,0013 0,0011 0,0009 0,0011 0,0068 -
Konsentrasi komponen tar dalam minyak pada saat awal (t = 0) dianggap nol (cAL,0 = nol).
Sistem Toluen – Minyak A
Sistem Toluen – Minyak B Grafik hubungan -ln(cA*- cAL) terhadap waktu (t) pada suhu minyak 59 oC. (KLa = slope – pers.2) 14
Hasil Penelitian Pengaruh laju alir gas dan suhu minyak terhadap nilai KLa
Sistem Toluen – Minyak A
Sistem Toluen – Minyak B
Sistem Fenol – Minyak A
Sistem Fenol – Minyak B
Sistem toluen/fenol – Minyak A (19 < Re < 60) model estimasi Higbie dan GFT
Sistem toluene/fenol – Minyak B (Re < 10) 15 model estimasi Rowe
Kesimpulan Kesimpulan Dari hasil penelitian yang dilakukan, diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Rentang nilai KLa yang diperoleh dari percobaan ini adalah: Sistem toluen – Minyak-A:
1,541x10-3 – 13,01x10-3
Sistem fenol – Minyak-A :
1,410x10-3 – 5,903x10-3
Sistem toluen – Minyak-B :
1,681x10-3 – 4,153x10-3
Sistem fenol – Minyak-B :
2,654x10-3 – 6,475x10-3
2. Dengan menggunakan beberapa pendekatan, diperoleh bahwa: Model estimasi nilai koefisien transfer massa fasa cair Higbie relatif lebih sesuai untuk sistem penyerapan toluen/fenol-Minyak-A daripada model GFT, walaupun masih mempunyai error yang cukup besar. Model estimasi Rowe tidak sesuai untuk memprediksikan nilai koefisien transfer massa fasa cair sistem toluen/fenol-Minyak-B, error yang diperoleh besar.
16
Saran Saran 1.
Untuk mendapatkan hasil pengukuran yang lebih akurat lagi, dapat digunakan peralatan Gas Chromatography (GC).
2.
Penelitian dapat dilanjutkan dengan memperluas permukaan kontak gas-cair dengan cara menggunakan bahan isian dalam kolom penyerapan atau menggunakan sparger.
3.
4.
Penelitian eksploratif sebaiknya dilakukan pada berbagai jenis minyak dengan berat molekul besar dan viskositas rendah. Untuk studi termodinamika eksploratif sebaiknya dilakukan analisa komposisi jenis minyak yang digunakan.
17
Biomass for Future
18
