KAJI EKSPERIMENTAL DAN SIMULASI CFD PROSES …/Kaji-Eks... · Kaji Eksperimental dan Simulasi CFD Proses ... dan menyelesaikan Tugas Akhir “Kaji Eksperimental dan Simulasi ... Prosedur

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

KAJI EKSPERIMENTAL DAN SIMULASI CFD PROSES

PENGAYAAN HIDROGEN DALAM GAS HASIL GASIFIKASI

SEKAM PADI DAN ARANG KAYU DENGAN MEDIA UAP

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

ARIF FIRMAN AJI NIM. I1408505

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2012


commit to user

i




SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

ARIF FIRMAN AJI NIM. I1408505

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2012


commit to user

ii

SURAT TUGAS

Menyusul


commit to user

iii




Disusun oleh:

Arif Firman Aji NIM. I1408505

Dosen Pembimbing I

Dr. techn Suyitno, S.T,.M.T. NIP. 197409022001121002

Dosen Pembimbing II

Wibawa Endra Juwana, S.T., M.T. NIP. 197009112000031001

Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari ............, tanggal ....

2012

1. Zainal Arifin, S.T., M.T. NIP. 197303082000031001

…………………………

2. Dr. Dwi Aries Himawanto, S.T., M.T. NIP. 197403262000031001

…………………………

Mengetahui:

Ketua Jurusan Teknik Mesin

Didik Djoko Susilo, S.T., M.T. NIP . 97203131997021001

Koordinator Tugas Akhir

Wahyu Purwo R., S.T, M.T. NIP. 197202292000121001


commit to user

iv

Kaji Eksperimental dan Simulasi CFD Proses Pengayaan Hidrogen dalam Gas Hasil Gasifikasi Sekam Padi dan Arang

Kayu dengan Media Uap

Arif Firman Aji Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia

E-mail : [email protected]

Abstrak

Penggunaan uap sebagai agen dalam gasifikasi biomasa merupakan salah satu metode untuk pengayaan hidrogen. Studi eksperimen gasifikasi uap untuk dua macam biomasa (sekam padi, arang kayu) dan campuran keduanya dilakukan pada reaktor bertemperatur 650oC dan uap bertemperatur 400oC dan 500oC. Rasio uap/biomasa divariasikan dari 0, 0,25, 0,5, dan 1. Zat penjerab (CaO) yang digunakan dalam penelitian ini adalah untuk menjerab CO2 yang berakibat pada peningkatan hidrogen dalam gas hasil. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh rasio uap/biomasa, temperatur uap sebagai agen gasifikasi dan rasio CaO/biomasa terhadap hasil hidrogen dalam gas hasil. Lebih lanjut, simulasi dengan menggunakan CFD Fluent dilakukan untuk mempelajari mekanisme terbentuknya gas hasil pada gasifikasi sekam padi-uap. Gas hasil dengan konsentrasi hidrogen maksimum untuk gasifikasi uap dari sekam padi, arang kayu dan campuran keduanya berturut-turut adalah 43,8%, 51,7%, dan 51,7% yang diperoleh pada temperatur uap 500oC, rasio uap/biomasa = 0,25. Pada penggunaan CaO sebagai penjerab CO2 dalam gasifikasi uap dari sekam padi, arang kayu dan campuran keduanya, hasil hidrogen tertinggi berturut-turut adalah 52,63%, 54,7%, dan 74,73% yang diperoleh pada temperatur uap 500oC, dan rasio uap/biomasa = 0,25 dan rasio CaO/biomasa = 1. Sementara hasil simulasi menunjukkan hasil yang tidak jauh berbeda dengan hasil eksperimen.

Kata kunci: gasifikasi uap, biomasa, pengayaan hidrogen, CaO, Fluent.


commit to user

v

Experimental Study and CFD Simulation of Hydrogen Enrichment Process in Producer Gas of Steam Gasification of

Rice Husk and Wood Charcoal

Arif Firman Aji Mechanical Engineering Department

Engineering Faculty of Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia

E-mail : [email protected]

Abstract

The using of steam as the agent in biomass gasification is one of the hydrogen enrichment methods. Steam-gasification experimental study of two kinds of biomass (rice husk and wood charcoal) and mixture of both were carried out at reactor temperatures of 650oC and steam temperatures of 400oC and 500oC. Steam/biomass ratio was varied at 0, 0.25, 0.5, and 1. The adsorbent used in this study is CaO to absorb CO2 which resulting in increasing of hydrogen in producer gas. The aim of this study are to determine the effect of steam/biomass ratio, temperature of steam as the gasification agent, and CaO/biomass ratio on hydrogen yield in producer gas. Furthermore, simulations using CFD fluent was conducted to study the mechanism of producer gas forming on rice husk-steam gasification. Producer gas with maximum hydrogen concentration for steam gasification of rice husk, wood charcoal, and mixture of both is 43.8%, 51.7%, and 51.7% respectively were obtained at steam temperature of 500oC, ratio of steam/biomass = 0.25. In the using of CaO as CO2 adsorber on steam gasification of rice husk, wood charcoal and mixture of both, the highest of hydrogen yield is 52.63%, 54.7%, and 74.73% respectively were obtained at steam temperature of 500oC, ratio of steam/biomass = 0.25 and ratio of CaO/biomass = 1. While the simulation show that the results are not much different from the experimental results.

Keywords: steam gasification, biomass, hydrogen enrichment , CaO, Fluent.


commit to user

vi

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat ALLAH SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas

segala limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan

dan menyelesaikan Tugas Akhir “Kaji Eksperimental dan Simulasi CFD Proses

Pengayaan Hidrogen dalam Gas Hasil Gasifikasi Sekam Padi dan Arang Kayu

dengan Media Uap” ini dengan baik.

Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Dalam penyelesaian skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa

bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh

karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih

yang sebesar besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam

menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada:

1. Sang Pencipta, Allah SWT, atas segala kenikmatan dan kemudahan yang

telah diberikan.

2. Bapak Dr. techn Suyitno, M.T. selaku pembimbing I atas bimbingan serta

nasehatnya hingga selesainya penulisan skripsi ini.

3. Bapak Wibawa Endra Juwana, S.T., M.T. selaku pembimbing II yang

senantiasa memberikan arahan, saran, serta bimbingan dalam penyusunan

skripsi ini.

4. Bapak Didik Djoko Susilo, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

UNS Surakarta.

5. Bapak Bambang Kusharjanta, S.T., M.T. selaku pembimbing akademis yang

selalu memberikan motivasi dan semangat dari awal masuk kuliah sampai

sekarang.

6. Seluruh staf dosen Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas

Sebelas Maret atas bimbingan dan bantuannya selama penulis menempuh

pendidikan.

7. Almarhum Bapak, Ibu, Om Edi, Bulek Sri, Om Kus, Bulek Noor, adikku

Bayuaji Saputro dan seluruh keluarga atas do’a, motivasi dan dukungan


commit to user

vii

material maupun spiritual selama penyelesaian masa kuliah dan Tugas Akhir

ini.

8. Teman seperjuangan di LBAE (Laboratorium Biofuel and Advanced Energy),

Darmanto, S.T., Ocky Dwi HP., S.T., Thoharudin S.T., M.T., Arif Setyo N.,

S.T., M.T., Imam Sholahudin, S.T., Lukmanul Hakim, S.T., Khamdan

Mujadi, Bomby Duswara, Hery Kusbandryo, Imam Saputra, Kinastryan Jita

Kroda, yang sudah membantu dan bekerja sama dalam pengerjaan Tugas

Akhir ini.

9. Teman-teman Teknik Mesin Transfer 2009.

10. Semua pihak yang telah memberikan bantuan moral dan spiritual hingga

terselesainya Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari

sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi

ini.

Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua

Amin.

Surakarta, Oktober 2012

Arif Firman Aji


commit to user

viii

DAFTAR ISI

Halaman Halaman judul ...................................................................................................... i Halaman Surat Penugasan ................................................................................... ii Halaman Pengesahan ........................................................................................... iii Halaman Abstrak ................................................................................................. iv Kata Pengantar ..................................................................................................... vi BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1

1.1. Latar Belakang .................................................................................... 1 1.2. Batasan Masalah ................................................................................. 2 1.3. Perumusan Masalah ............................................................................ 3 1.4. Tujuan dan Manfaat ........................................................................... 3 1.5. Sistematika Penulisan ......................................................................... 4

BAB II LANDASAN TEORI ............................................................................. 5 2.1. Tinjauan Pustaka ................................................................................ 5 2.2. Dasar Teori ......................................................................................... 10

2.2.1. Gasifikasi .................................................................................. 10 2.2.2. Computational Fluid Dynamic (CFD) Fluent ........................ 12 2.2.3. Prosedur Pemodelan Geometri Menggunakan GAMBIT ...... 15 2.2.4. Prosedur Simulasi Dalam FLUENT ........................................ 16 2.2.5. Parameter Penyelesaian Dalam FLUENT .............................. 19

BAB III METODE PENELITIAN ..................................................................... 21 3.1. Tempat Pengujian ............................................................................... 21 3.2. Alat dan Bahan yang Digunakan ....................................................... 21 3.3. Prosedur Penelitian (eksperimen) ...................................................... 25 3.4. Simulasi Dalam FLUENT ................................................................. 27 3.5. Skema penelitian ................................................................................ 28 3.6. Tahap Penelitian .................................................................................. 29

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................... 31 4.1. Analisis CFD pada Gasifikasi Sekam Padi-Uap .............................. 31 4.2. Konsentrasi Gas H2 dan CO dalam Gasifikasi tanpa CaO ............... 36 4.3. Konsentrasi Gas H2 dan CO dalam Gasifikasi dengan Penambahan

Adsorben CaO .................................................................................... 39 BAB V PENUTUP .............................................................................................. 44

5.1. Kesimpulan ......................................................................................... 44 5.2. Saran .................................................................................................... 45

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 46 LAMPIRAN ....................................................................................................... 48


commit to user

ix

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Data konstanta reaksi dalam persamaan 11 sampai 13 ................... 20


commit to user

x

DAFTAR GAMBAR

Gambar 3.1 Reaktor gasifikasi .................................................................... .. 21 Gambar 3.2 Voltage regulator ...................................................................... .. 21 Gambar 3.3 AC Clamp-on Meter .................................................................... 22 Gambar 3.4 Thermoreader .............................................................................. 22 Gambar 3.5 Thermocouple ............................................................................. 23 Gambar 3.6 Stopwatch .................................................................................... 23 Gambar 3.7 Gas Analyzer ............................................................................... 23 Gambar 3.8 Sekam padi .................................................................................. 24 Gambar 3.9 Arang kayu .................................................................................. 24 Gambar 3.10 Calsium Oxide (CaO) ................................................................. 25 Gambar 3.11 Skema Penelitian ......................................................................... 28 Gambar 3.12 Diagram Alir Penelitian .............................................................. 30 Gambar 4.1 Konsentrasi H2 dalam producer gas dari eksperimen dan simulasi pada gasifikasi sekam .................................................. 31 Gambar 4.2 Konsentrasi CO dalam producer gas dari eksperimen dan simulasi pada gasifikasi sekam .................................................. 32 Gambar 4.3 Profil temperatur (K) dalam reaktor gasifikasi sekam padi-uap

dengan temperatur uap 400oC .................................................... 32 Gambar 4.4 Laju reaksi R1 s.d. R3 pada gasifikasi sekam padi dengan

temperatur uap 400oC ................................................................. 33 Gambar 4.5 Profil temperatur (K) dalam reaktor gasifikasi sekam padi-uap

dengan temperatur uap 500oC .................................................... 34 Gambar 4.6 Laju reaksi R1 s.d. R3 pada gasifikasi sekam padi dengan

temperatur uap 500oC ................................................................. 35 Gambar 4.7 Konsentrasi hidrogen dalam producer gas pada gasifikasi dengan temperatur uap 400°C dan tanpa CaO ......................... 37 Gambar 4.8 Temperatur reaktor gasifikasi pada gasifikasi dengan temperatur uap 400°C ................................................................. 38 Gambar 4.9 Konsentrasi H2 dalam producer gas pada gasifikasi dengan

temperatur uap 500°C dan tanpa CaO ....................................... 38 Gambar 4.10 Konsentrasi CO dalam producer gas pada gasifikasi dengan

temperatur uap 400°C dan tanpa CaO ....................................... 39 Gambar 4.11 Konsentrasi CO dalam producer gas pada gasifikasi dengan

temperatur uap 500°C dan tanpa CaO ....................................... 39 Gambar 4.12 Konsentrasi H2 dalam producer gas pada gasifikasi sekam dengan temperatur uap 500°C dan dengan CaO ....................... 40 Gambar 4.13 Konsentrasi H2 dalam producer gas pada gasifikasi sekam + arang dengan temperatur uap 500°C dan dengan CaO ............. 41 Gambar 4.14 Konsentrasi H2 dalam producer gas pada gasifikasi arang dengan temperatur uap 500°C dan dengan CaO ....................... 41 Gambar 4.15 Konsentrasi CO dalam producer gas pada gasifikasi sekam dengan temperatur uap 500°C dan dengan CaO ....................... 42 Gambar 4.16 Konsentrasi CO dalam producer gas pada gasifikasi sekam + arang dengan temperatur uap 500°C dan dengan CaO ............. 42 Gambar 4.17 Konsentrasi CO dalam producer gas pada gasifikasi arang dengan temperatur uap 500°C dan dengan CaO ....................... 43


commit to user

xi

DAFTAR NOTASI

ρ = Massa jenis (kg/m3) vr = Kecepatan arah r (m/s) vx = Kecepatan arah x (m/s) t = Waktu (s) r = Jari-jari reaktor (m) Sm = Penambahan massa Fx = Gaya benda yang bekerja pada arah aksial (N) Fr = Gaya benda yang bekerja pada arah radial (N) µ = Viskositas (kg/m.s) keff = Konduktifitas termal efektif (W/m.K)

jjr

= Fluks difusi spesies j Sh = Penambahan sumber panas volumetrik (misalnya panas oleh reaksi kimia) E = Energi total spesifik (kJ/kg) h = Entalpi sensibel (kJ/kg) p = Tekanan (Pa)

t = Tensor tegangan vr

= Vektor kecepatan (m/s) A = Faktor pre-eksponensial E = Energi aktivasi (kJ/mol) R = Konstanta gas universal (J/kmol.K) T = Temperatur (K)


commit to user

xii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran A: Simulasi dalam FLUENT ............................................................. 49 Lampiran B: Data pengujian ............................................................................... 55


commit to user

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sampai saat ini ketergantungan Indonesia akan bahan bakar fosil sebagai

sumber energi cukup besar. Bahan bakar fosil tersebut digunakan hampir di

seluruh sektor kehidupan manusia sehingga konsumsi energi di Indonesia semakin

meningkat dari tahun ke tahun. Dalam laporannya, Kementerian ESDM mencatat

bahwa konsumsi energi final pada skenario dasar diperkirakan tumbuh rata-rata

6,7% per tahun (ESDM, 2009). Pada akhir tahun 2009, konsumsi energi final di

Indonesia mencapai angka sekitar 893.756.219 BOE (ESDM, 2010). Di sisi lain,

menipisnya cadangan sumber energi fosil dan meningkatnya kerusakan

lingkungan akibat penggunaan energi fosil telah menjadi ancaman. Tercatat

bahwa cadangan terbukti maupun cadangan potensial minyak bumi Indonesia

sebesar 7,41 miliar barel. Apabila cadangan yang ada diproduksikan dengan

tingkat produksi saat ini maka cadangan minyak bumi Indonesia akan habis

selama 12 tahun mendatang (BP Migas, 2011). Melihat kondisi tersebut maka saat

ini sangat diperlukan penelitian yang intensif untuk mencari, mengoptimalkan dan

menggunakan sumber energi alternatif atau terbarukan.

Salah satu sumber energi terbarukan yang dewasa ini menjadi perhatian besar

di banyak negara adalah biomasa. Potensi Indonesia dalam menyediakan biomasa

sangatlah besar mengingat status Indonesia sebagai negara agraris yang

menghasilkan produk pertanian dan kehutanan yang melimpah tiap tahunnya. Dari

sektor pertanian, sekam padi merupakan salah satu biomasa yang dapat

dimanfaatkan untuk menghasilkan energi terbarukan. Sekam merupakan limbah

penggilingan padi yang jumlahnya mencapai 20-23 % dari gabah (Rahmat, 2006),

jumlahnya sangat melimpah di Indonesia dan kurang dimanfaatkan sehingga

banyak yang menjadi sampah. Jika produksi padi tahun 2010 sebesar 66,41 juta

ton gabah kering giling (GKG) (BPS, 2011), maka jumlah sekam yang dihasilkan

lebih dari 13,282 juta ton. Sekam padi mempunyai kandungan energi yang rendah

(14,5 MJ/kg), massa jenis yang rendah sekitar 110 kg/m3, dan kadar abunya yang

tinggi sekitar 20% (Suyitno, 2009). Sementara itu, hutan Indonesia dengan 104

jenis pohonnya menyimpan cadangan karbon yang potensial (Kemenhut, 2010).


commit to user

2

Selama ini, potensi pohon hanya dihitung berdasarkan besarnya volume kayu batang

pohon yang dimanfaatkan untuk industri-industri pengolahan kayu yang mempunyai

nilai ekonomis tinggi. Ternyata tidak hanya batang, bagian-bagian pohon yang lain

seperti cabang, ranting, daun dan akar mempunyai peran besar dalam menyimpan

karbon. Salah satunya adalah dalam bentuk arang kayu.

Untuk memanfaatkan energi biomasa terutama sekam padi dan arang kayu

secara efektif, diperlukan teknik atau cara yang salah satunya adalah dengan

gasifikasi yang akan menghasilkan gas mampu bakar seperti karbon monoksida,

hidrogen, metana, dan gas yang tidak dapat terbakar seperti karbon dioksida,

nitrogen, serta menghasilkan sedikit uap air. Menurut Kathleen McHugh,

beberapa teknik atau metode dalam menghasilkan hidrogen dari bahan bakar fosil

dan biomasa diantaranya adalah steam methane reforming (SMR), partial

oxidation/autothermal reforming of methane, coal gasification, biomass

pyrolysis/gasification (McHugh, 2005). Sedangkan gasifikasi dengan

menggunakan udara sebagai agen atau media yang telah banyak dilakukan,

menghasilkan gas hidrogen dengan konsentrasi rendah. Oleh karena itu,

penggunaan uap sebagai media gasifikasi banyak diteliti. Tetapi dengan

kandungan fixed carbon (FC) sekam padi yang relatif rendah sekitar 17,4%

(Jamradloedluk, Panomai dkk.), maka reaksi yang terjadi pada proses gasifikasi

uap menjadi kurang efektif. Untuk mengatasi hal tersebut, salah satu metode yang

juga diteliti adalah co-gasification yang memadukan biomasa sekam padi dan

arang kayu sebagai bahan baku.

Dari alasan tersebut, maka diperlukan penelitian dalam pengayaan hidrogen

melalui gasifikasi uap-biomasa yang dilakukan secara eksperimen dan simulasi

melalui computational fluid dynamic (CFD).

1.2. Batasan Masalah

Pada penelitian yang akan dilaksanakan masalah dibatasi sebagai berikut:

1. Bahan baku biomasa yang digunakan adalah sekam padi dan arang kayu

dengan ukuran partikel arang kayu lolos 20 mesh tertahan 30 mesh,

dengan variasi bahan uji 100% sekam padi, 50% sekam padi dicampur

dengan 50% arang kayu, dan 100% arang kayu.


commit to user

3

2. Pemanasan dilakukan pada bagian luar reaktor dengan menggunakan

pemanas listrik.

3. Dalam proses gasifikasi, temperatur awal reaktor 650oC (Yan, Luo dkk.,

2010).

4. Temperatur uap yang digunakan adalah 400oC dan 500oC.

5. Variasi rasio uap/biomasa yang digunakan adalah 0,25/1, 0,5/1, dan 1/1.

6. Massa awal biomasa yang akan digasifikasi adalah 145 g.

7. Proses gasifikasi dilakukan dengan dan tanpa zat penjerab (sorbent),

dimana zat penjerab yang digunakan adalah CaO.

8. Variasi rasio CaO/biomasa yang digunakan adalah 0,25/1, 0,5/1, dan 1/1.

9. Simulasi menggunakan computational fluid dynamic (CFD) dengan

menggunakan software FLUENT.

1.3. Perumusan Masalah

Perumusan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Bagaimana pengaruh variasi rasio uap/biomasa terhadap hasil kandungan

H2 pada proses gasifikasi.

2. Bagaimana pengaruh temperatur uap sebagai agen atau media gasifikasi

terhadap hasil kandungan H2 pada proses gasifikasi.

3. Bagaimana pengaruh zat penjerab batu kapur (CaO) terhadap hasil

kandungan H2 pada proses gasifikasi.

4. Bagaimana simulasi proses gasifikasi uap-biomasa yang dilakukan dengan

menggunakan software CFD FLUENT.

1.4. Tujuan dan Manfaat

Penelitian ini bertujuan untuk:

1. Mengetahui pengaruh variasi rasio uap/biomasa terhadap hasil kandungan

H2 dalam gas produk gasifikasi.

2. Mengetahui pengaruh temperatur uap sebagai agen atau media gasifikasi

terhadap hasil kandungan H2 dalam gas produk gasifikasi.

3. Mengetahui pengaruh penambahan CaO terhadap hasil kandungan H2

dalam gas produk gasifikasi.


commit to user

4

4. Membandingkan proses dan hasil gasifikasi dengan metode eksperimental

dan simulasi.

Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat

sebagai berikut:

1. Mampu meningkatkan pemahaman tentang proses gasifikasi dan

mendapatkan manfaat dari pengembangan proses baru untuk mendapatkan

gas yang kaya hidrogen.

2. Didapatkan nilai-nilai parameter yang tepat untuk mendapatkan jumlah

hidrogen yang tinggi dalam gas produk gasifikasi. Parameter tersebut

diantaranya temperatur uap sebagai media gasifikasi, rasio uap/biomasa.

1.5. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan Tugas Akhir adalah sebagai berikut:

BAB I : Pendahuluan, berisi latar belakang penelitian, tujuan dan manfaat

penelitian, perumusan masalah, batasan masalah dan sistematika

penulisan.

BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan proses

gasifikasi uap-biomasa dan reforming.

BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan,

tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan

pengambilan data.

BAB IV : Data dan Analisa, berisi data hasil pengujian dan analisa data hasil

pengujian.

BAB V : Penutup, berisi kesimpulan penelitian dan saran yang berkaitan

dengan penelitian yang dilakukan.


commit to user

5

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

Penelitian yang dilakukan oleh Bishnu Acharya, Animesh Dutta, dkk.

(Acharya, Dutta dkk., 2010) adalah untuk mengetahui potensi produksi hidrogen

dari gasifikasi uap biomasa dengan pemberian CaO sebagai zat sorbent dan

pengaruh parameter operasi (rasio uap/biomasa, temperatur, dan rasio

CaO/biomasa) yang berbeda. Produk gas dengan konsentrasi hidrogen sampai

dengan 54,43% diperoleh pada rasio uap/biomasa sebesar 0,83, dan rasio

CaO/biomasa = 2, serta pada temperatur operasi 670oC. Penurunan konsentrasi

karbon dioksida sebanyak 93,33% bila dibandingkan dengan gasifikasi tanpa

adanya CaO, ditemukan pada rasio CaO/biomasa dengan nilai 2. Pemodelan

matematika dengan metode Gibbs free energy minimization dikembangkan dan

kemudian dibandingkan dengan hasil eksperimen ini. Hasilnya menunjukkan

bahwa dalam peningkatan rasio uap/biomasa dari 0,58 sampai 1,58, hasil

maksimum hidrogen sebesar 230,28 ml/g biomasa dicapai pada rasio uap/biomasa

0,83. Konsentrasi hidrogen 54,96% diperoleh pada rasio uap/biomasa 0,83.

Konsentrasi karbon dioksida sekitar 1% untuk rasio uap yang berbeda-beda pada

variasi rasio CaO/biomass 1,5. Naiknya temperatur reaktor akan menaikkan

jumlah hidrogen tetapi temperatur diatas 670oC akan menurunkan konsentrasi

hidrogen dalam gas hasil. Untuk kisaran temperatur yang diteliti, hasil hidrogen

maksimum adalah 315,08 ml/g biomasa diperoleh pada temperatur 710oC.

Peningkatan rasio CaO/biomasa sangat meningkatkan konsentrasi dan jumlah

hidrogen dalam gas hasil. Konsentrasi hidrogen naik dua kali lipat dari 23,29%

(CaO/biomasa = 0) menjadi 54,54% (CaO/Biomass = 2). Hasil maksimum

hidrogen sebesar 375,56 ml/g biomasa diperoleh pada rasio CaO/biomasa = 2.

Kecenderungan model matematika yang dikembangkan dengan konsep Gibbs free

energy minimization untuk hidrogen dan karbon dioksida ternyata cocok dengan

hasil percobaan yang dilakukan. Tetapi sesuai perkiraan, hasil pemodelan

melebihi perkiraan konsentrasi hidrogen. Sehingga persamaan koreksi


commit to user

6

dikembangkan yang dengan mudah mengoreksi hasil yang diperoleh dari model

untuk dicocokkan dengan hasil percobaan.

Pada tahun 2006, Ligang Wei, Shaoping Xu, dkk. (Wei, Xu dkk., 2006) telah

melakukan penelitian gasifikasi dengan media uap bertemperatur 400oC pada laju

pemanasan tinggi (1000oC/s) terhadap dua jenis biomasa (legume straw dan pine

sawdust) yang juga membandingkan penggunaan empat jenis katalis alami (pasir,

batu gamping, olivine, dan dolomite). Parameter-parameter yang diteliti

diantaranya pengaruh rasio uap/biomasa terhadap jumlah gas produk dan

komposisi gas produk, pengaruh temperatur reaktor terhadap jumlah gas produk

dan komposisi gas produk, perbandingan pengaruh penggunaan katalis terhadap

jumlah gas produk dan komposisi gas produk. Penelitian ini menggunakan nilai

rasio massa uap/biomasa antara 0-1 g/g dan temperatur reaktor antara 750-850oC.

Hasil penelitian yang telah dilakukan ini menunjukkan bahwa hasil gas untuk

kedua jenis biomasa tersebut meningkat seiring dengan meningkatnya rasio massa

uap/biomasa. Tar dan arang dari legume straw berturut-turut turun dari 5,5 wt%

ke 2,8 wt% dan dari 7,4 wt% ke 2,4 wt%. Sedangkan tar dan arang dari pine

sawdust berturut-turut turun dari 3,6 wt% ke 1,5 wt% dan dari 5,5 wt% ke 3,0

wt%. Sementara itu, konsentrasi CO2 dan H2 meningkat dengan meningkatnya

nilai rasio uap/biomasa. Hal ini berlawanan dengan konsentrasi CO dan CH4 yang

menurun ketika rasio uap/biomasa meningkat. Nilai maksimum konsentrasi H2

pada gas produk untuk biomasa jenis legume straw sebesar 40,3 mol% dicapai

pada nilai rasio uap/biomasa 0,6 g/g. Sedangkan untuk biomasa jenis pine

sawdust, nilai konsentrasi H2 sebesar 36,8 mol% pada rasio uap/biomasa 1/1 dan

masih mengalami peningkatan. Perbandingan molar H2/CO, untuk kedua jenis

biomasa (legume straw dan pine sawdust) mengalami peningkatan seiring dengan

meningkatnya nilai rasio uap/biomasa. Sedangkan perbandingan molar CO/CO2

untuk kedua jenis biomasa di atas, justru mengalami penurunan ketika nilai rasio

uap/biomasa dinaikkan. Efek dari kenaikan temperatur reaktor terhadap hasil gas

pada rasio uap/biomasa 0,6 g/g menunjukkan bahwa temperatur reaktor yang

semakin naik akan meningkatkan jumlah gas hasil dari kedua jenis biomasa. Hal

sebaliknya terjadi pada tar dan hasil arang. Keduanya mengalami penurunan saat

temperatur reaktor naik. Perbandingan pemberian keempat jenis katalis


commit to user

7

menunjukkan bahwa dolomite memberikan efek jumlah gas paling tinggi dan

jumlah tar paling sedikit diantara katalis yang lain pada kondisi temperatur

gasifikasi 800oC dan rasio uap/biomasa 0,6 g/g. Konsentrasi H2 melalui

pemberian dolomite sebagai katalis meningkat sebesar 10% untuk legume straw

dan 15% untuk sawdust dibandingkan dengan katalis pasir.

Dalam penelitiannya, Feng Yan, Si-yi Luo, dkk. (Yan, Luo dkk., 2010)

melakukan gasifikasi dengan media uap terhadap arang serbuk gergaji kayu pinus

selama 15 menit yang dilakukan pada variasi temperatur 600-850oC dan dengan

variasi laju uap 0-0,357 g/menit untuk setiap gram biomasa. Dari hasil penelitian

tersebut, menunjukkan bahwa dengan temperatur gasifikasi yang tinggi dan

penggunaan uap sebagai media gasifikasi dengan ukuran yang tepat akan

menghasilkan gas kering dengan jumlah yang lebih banyak dan efisiensi konversi

karbon yang lebih tinggi. Dapat disimpulkan bahwa temperatur yang lebih tinggi,

akan memberikan kontribusi terhadap peningkatan hidrogen secara signifikan.

Selain itu, jumlah uap yang tepat juga sangat meningkatkan kandungan hidrogen

dan efisiensi konversi karbon. Namun jumlah uap yang berlebihan akan

mengurangi jumlah gas dan akan menurunkan efisiensi konversi karbon. Nilai

tertinggi gas kering sebesar 2,44 Nm3/kg, dan jumlah hidrogen tertinggi 57,07

mol/kg serta efisiensi konversi karbon 95,78% dicapai pada temperatur 850oC dan

pada laju aliran uap 0,165 g/menit untuk setiap gram biomasa arang.

K. Sangtongam, J. Gmurczyk, dkk (Sangtongam, Gmurczyk dkk., 2007)

melakukan penelitian gasifikasi dengan uap yang bertemperatur tinggi (700oC

sampai 1200oC) dari reaksi gas hidrogen dan gas oksigen terhadap tiga macam

bahan baku yaitu kertas, tatal kayu pinus kuning, dan batubara hitam Pittsburgh.

Dengan menggunakan dua macam variasi rasio uap/bahan baku (laju massa uap

6,3 g/menit dan 3,3 g/menit), penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh

parameter gasifikasi terhadap gas yang dihasilkan. Selain dengan metode

eksperimen, simulasi dengan menggunakan CFD Fluent juga digunakan untuk

mengurangi banyaknya eksperimen yang dilakukan. Metode simulasi ini juga

berfungsi untuk mengetahui profil parameter-parameter pada reaktor untuk

dicocokkan dengan pengujian. Dari hasil simulasi pada pengujian dengan

temperatur uap 900oC dan laju uap 6,3 g/menit menunjukkan bahwa lama reaksi 3


commit to user

8

menit menghasilkan konsentrasi hidrogen dalam gas hasil yang lebih tinggi

dibandingkan dengan lama reaksi 1 menit. Penelitian ini menunjukkan bahwa

kadar H2 dan CO meningkat seiring dengan meningkatnya temperatur untuk

ketiga macam bahan baku. Sebaliknya, kadar CO2 dan CH4 mengalami penurunan

seiring dengan paningkatan temperatur untuk ketiga macam bahan baku. Hasilnya

adalah hidrogen dengan kadar 54,7% pada gasifikasi kertas, hidrogen dengan

kadar 60,2% pada gasifikasi tatal kayu pinus, dan hidrogen dengan kadar 57,8%

pada gasifikasi batubara. Hasil tersebut dicapai pada variasi laju uap sebesar 6,3

gr/menit dan temperature uap 1200oC Penelitian secara eksperimen dan simulasi

ini menyimpulkan bahwa proses gasifikasi dengan uap temperatur tinggi dapat

menghasilkan gas hasil dengan kandungan hidrogen yang kaya sampai dengan

60%. Selain itu, CO2 dan hidrokarbon yang dihasilkan juga minimal. Melalui

gasifikasi dengan temperatur yang cukup tinggi, tar juga dapat diminimalisir dari

gas hasil. Jumlah tar yang dihasilkan dipengaruhi oleh tipe agen atau media

gasifikasi, dan temperaturnya. Sehingga membuat proses ini cukup bersih untuk

mengubah sampah atau bahan hidrokarbon lainnya menjadi gas dengan

kandungan hydrogen yang tinggi. Hasil tar mengalami pengurangan sepuluh kali

lipat dicapai dengan menaikkan temperatur uap dari 600oC sampai dengan 1200oC

pada gasifikasi tatal kayu pinus dan kertas.

Dalam penelitian simulasi yang dilakukan oleh M. K. Yunus, M. M. Ahmad,

dkk. (Yunus, Ahmad dkk., 2010), pemodelan dilakukan untuk memprediksi

hidrogen hasil gasifikasi pada temperatur antara 600oC sampai dengan 1000oC,

pada tekanan atmosfer, dengan laju biomasa 1 ton/jam, laju uap sebesar 2,4

ton/jam, dan laju adsorbent 3,5 ton/jam. Penelitian ini dilakukan untuk

mengetahui efek dari temperatur, rasio uap/biomasa, rasio adsorbent/biomasa

dimana adsorbent yang digunakan adalah CaO, dan hidrogen dengan fraksi mol

0,85 diprediksi dapat dihasilkan dalam gas hasil. Perbandingan dengan data

percobaan dari literatur juga dilakukan. Asumsi dilakukan untuk mempermudah

dalam pemodelan tersebut. Biomasa diasumsikan sebagai karbon, gasifikasi

terjadi secara isothermal dan kondisi steady state, abu dianggap sebagai zat inert

dan tidak disertakan dalam reaksi, reaksi karbonisasi diasumsikan sebagai reaksi

maju, dan reaksi lainnya dianggap dalam kesetimbangan. Hasil gasifikasi


commit to user

9

diasumsikan antara lain: hidrogen (H2), karbon monoksida (CO), karbon dioksida

(CO2), dan metana (CH4). Dari penelitian tersebut, efek dari rasio uap/biomasa

antara 2 sampai 3 dan pada temperatur 850oC, serta pada rasio adsorbent/biomasa

3,5 menunjukkan bahwa hydrogen sebagai produk utamamengalami kenaikan dari

79% menjadi 85% dan menjadi konstan pada nilai tersebut. Sedangkan

kecenderungan dari metana dan CO turun selama peningkatan rasio uap/biomasa

tersebut. Sebaliknya, CO2 mengalami peningkatan. Temperatur mempengaruhi

komposisi gas dan terutama kadar hidrogen dalam gas. Pada kisaran temperatur

600oC sampai 1000oC, dengan rasio uap/biomasa 2,4 dan adsorbent/biomasa 3,5,

menunjukkan bahwa hidrogen hampir konstan dalam kisaran temperatur tersebut.

Gas lainnya seperti metana, CO2 mengalami peningkatan, sedangkan CO menurun

seiring dengan kenaikan temperatur dari 600oC sampai 1000oC. Sementara itu,

pengaruh rasio adsorbent/biomasa pada rasio 1,5 sampai 4,5 terhadap komposisi

gas hasil pada temperatur 850oC dan pada rasio uap/biomasa 2,4, menunjukkan

bahwa produksi hidrogen naik sampai pada rasio adsorbent/biomasa 3,5.

Selanjutnya, kecenderungan menjadi konstan pada 85 mol %. Kecenderungan

yang serupa juga terjadi pada produksi metana yang meningkat pada rasio 3,5.

Produk CO mencapai kesetimbangan, sedangkan produk CO2 menurun sampai

pada rasio 3,5 dan bernilai nol pada rasio diatas 3,5. Hal tersebut mengindikasikan

bahwa adsorbent/biomasa optimal pada rasio 3,5. Dari hasil tersebut dapat

disimpulkan bahwa model prediksi peningkatan gasifikasi biomassa dengan media

uap yang berhasil dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak simulasi

ICON. Hasil yang diperoleh menunjukkan kecocokan dan mengikuti tren dalam

literatur. Kondisi optimum gasifikasi biomassa dicapai pada 850oC, rasio

uap/biomasa 2,4 dan rasio adsorben/biomassa 3,5. Analisis ekonomi awal

menunjukkan bahwa metode yang diusulkan layak hasil ini bisa menjadi platform

untuk mengembangkan lebih lanjut desain proses yang lebih rinci dalam produksi

hidrogen secara komersial.


commit to user

10

2.2. Dasar Teori

2.2.1. Gasifikasi

Gasifikasi adalah suatu proses konversi bahan bakar menjadi gas yang bisa

terbakar (CO, H₂ dan CH₄), dan gas yang tidak dapat terbakar (CO2, N2, sedikit

uap air) melalui reaksi termokimia dengan menggunakan sejumlah oksigen yang

kurang dari persamaan stoikiometri. Media yang digunakan dapat berupa udara,

uap, karbon dioksida, oksigen murni atau campuran dari gas-gas tersebut.

Teknologi gasifikasi dapat digunakan untuk memperoleh lebih banyak gas

sintetis dengan dampak polusi yang rendah. Gasifikasi dapat dikelompokkan

berdasarkan agen gasifikasi yaitu udara, uap, uap-oksigen, udara-uap, dll.

Gasifikasi biomasa dengan menggunakan udara telah banyak dikembangkan

untuk aplikasi di bidang industri. Akan tetapi teknologi ini menghasilkan gas

dengan nilai kalor yang rendah (4-6 MJ/m3) dan hanya 8-14%vol hidrogen yang

dihasilkan. Sedangkan proses gasifikasi biomasa dengan agen uap mampu

menghasilkan gas sintetis dengan nilai kalor 10-16 MJ/m3 dan hidrogen sebesar

30-60%vol (Lv, Xiong dkk., 2004). Penggunaan uap sebagai agen, akan bereaksi

dengan arang (karbon) yang akan menghasilkan hidrogen dan karbon monoksida

sehingga gas yang dihasilkan akan memiliki nilai kalor yang lebih tinggi

dibandingkan dengan gasifikasi dengan agen udara. Dengan adanya reaksi yang

menghasilkan karbon monoksida dan hidrogen maka gasifikasi dengan uap air

akan memiliki nilai kalor yang lebih tinggi dari gasifikasi dengan udara. Uap

sebagai agen mempunyai peranan penting dalam peningkatan kadar hidrogen

dalam gas hasil. Tetapi peranan uap memiliki porsi yang lebih rendah

dibandingkan dengan karbon yang terkandung dalam biomasa untuk

menghasilkan kadar hidrogen tertinggi dalam gas hasil. Hal ini diperkuat dengan

beberapa penelitian gasifikasi uap terhadap biomasa yang menghasilkan kadar

hidrogen tertinggi pada rasio uap/biomasa dibawah 1/1 (Wei, Xu dkk., 2006;

Acharya, Dutta dkk., 2010). Tetapi jumlah uap yang berlebih akan menyebabkan

temperatur reaksi menjadi turun dan juga menyebabkan penurunan jumlah gas dan

konsentrasi hidrogen (Peng-mei, Jie dkk., 2003).

Proses kimia gasifikasi terdiri dari reaksi-reaksi gas-gas (reaksi homogen)

dan reaksi padat-gas (reaksi heterogen) dalam beberapa tahap. Reaksi gasifikasi


commit to user

11

karbon uap merupakan reaksi antara karbon dan uap menghasilkan hidrogen dan

karbon monoksida. Reaksi tersebut bersifat endotermik sehingga memerlukan

energi (panas) untuk bereaksi. þ + Ǵ挠 → Ǵ挠+ þ ∆H = 118.9 kJ/mol (1)

Reaksi gasifikasi karbon uap dilanjutkan dengan reaksi metanasi, dimana

terbentuknya gas metana yang merupakan hasil reaksi antara karbon dan uap.

Rekasi tersebut mengeluarkan sejumlah panas sehingga disebut dengan reaksi

eksotermik. Reaksi metanasi dapat dilihat pada persamaan 2. þ + 2Ǵ挠 → þǴ恼 ∆H = -74,8 kJ/mol (2)

Gas metana yang terbentuk pada reaksi metanasi kemudian bereaksi

dengan uap air membentuk gas karbon monoksida dan hidrogen. Reaksi

pembentukan hidrogen dan karbon monoksida dari metana dan uap air disebut

dengan reaksi methane steam reforming. Reaksi methane steam reforming

memerlukan panas dalam reaksi membentuk gas hidrogen dan karbon monoksida

yang dapat dilihat pada persamaan 3. þǴ恼+ Ǵ挠 → þ + 3Ǵ挠 ∆H = 222,35 kJ/mol (3)

Terbentuknya karbon monoksida pada reaksi gasifikasi karbon uap dan

methane steam reforming, secara simultan karbon monoksida tersebut bereaksi

dengan uap air membentuk hidrogen dan karbon dioksida yang disebut dengan

reaksi water gas shift. Reaksi tersebut dapat terjadi secara reversibel (bolak-balik)

dengan melepas energi untuk reaksi maju membentuk hidrogen dan karbon

dioksida dan reaksi mundur dengan menyerap energi membentuk karbon

monoksida dan uap air. Reaksi water gas shift dapat dilihat pada persamaan 4. þ + Ǵ挠 → Ǵ挠+ þ 挠 ∆H = -42 kJ/mol (4)

Pada gasifikasi biomassa uap, syngas memiliki komposisi gas utama antara

lain: hidrogen, karbon monoksida, metana, dan karbon dioksida. Diharapkan

dengan hasil komposisi karbon monoksida dan metana yang masih tinggi, akan

dapat mengoptimalkan produksi hidrogen dengan reaksi methane steam reforming

(MSR) dan water gas shift (WGS). Peningkatan komposisi hidrogen tersebut

karena dengan reaksi MSR dan WGS terbentuk hidrogen dan karbon dioksida.

Gas metana yang bereaksi dengan uap air membentuk karbon monoksida dan

hidrogen melalui reaksi MSR yang secara simultan terjadi reaksi WGS sehingga


commit to user

12

karbon monoksida yang terbentuk pada reaksi MSR tersebut bereaksi dengan uap

air membentuk hidrogen dan karbon dioksida.

Proses reaksi methane steam dan water gas shift ditunjukkan pada

penelitian yang dilakukan oleh Gao, Li dkk (Gao, Li dkk., 2009) dengan

penambahan peralatan reforming yang terbuat dari keramik berpori memberikan

gambaran bahwa konsentrasi hidrogen dan karbon dioksida meningkat setelah

melewati reforming dengan penurunan konsentrasi karbon monoksida dan metana

syngas.

Reaksi water gas shift kemudian dilanjutkan dengan reaksi bouduard.

Reaksi tersebut memerlukan energi untuk bereaksi antara karbon dan karbon

dioksida membentuk karbon monoksida. Reaksi bouduard dapat dilihat pada

persamaan 5. þ + þ 挠→ 2þ ∆H = 172 kJ/mol (5)

2.2.2. Computational Fluid Dynamic (CFD) Fluent

Secara definisi, Computational Fluid Dynamic (CFD) adalah ilmu yang

mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan

fenomena lainnya dengan menyelesaikan parsamaan-persamaan matematika

(model matematika) (Tuakia, 2008).

Perangkat lunak Computational Fluid Dynamic (CFD) dapat memberikan

kita kemampuan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas,

perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia,

interaksi fluida dengan struktur, dan sistem akustik hanya dengan pemodelan di

komputer. Dengan perangkat lunak ini kita bisa membuat virtual prototype dari

sebuah sistem atau alat yang ingin kita analisis dengan menerapkan kondisi nyata

di lapangan sehingga mampu meminimalisir waktu dan biaya yang dibutuhkan

daripada melakukan pengujian konvensional.

Fluent adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode

elemen hingga yang mampu menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap

sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak

terstruktur sekalipun dengan cara yang relative mudah (Tuakia, 2008).

CFD (Fluent) bekerja berdasarkan prinsip analisa numerik pada setiap titik

atau batasan yang telah ditentukan dengan menyelesaikan beberapa persamaan


commit to user

13

tertentu. Persamaan-persamaan atur (governing equation) yang diselesaikan

secara numerik dengan metode CFD ini adalah:

1. Persamaan konservasi massa

Persamaan konservasi massa untuk dua dimensi adalah:

( ) ( ) mr

rx Sr

vv

rv

xt=+

¶¶+

¶¶+

¶¶ r

rrr (6)

Dimana: ρ = Densitas (kg.m-3)

vr = Kecepatan arah r (m.s-1)

vx = Kecepatan arah x (m.s-1)

t = Waktu (s)

r = Jari-jari reaktor (m)

Sm = Penambahan masa

2. Persamaan konservasi momentum

Persamaan konservasi momentum untuk koordinat silinder dua dimensi

aksisimetri pada arah aksial dan radial adalah:

( ) ( ) ( ) ( ) úû

ùêë

é÷ø

öçè

æÑ-

¶¶

¶¶

+¶¶

-=¶¶

+¶¶

+¶¶

vx

vr

xrr

pvvr

rrvvr

xrv

tx

xrxxx

r.

3

22

111mrrr

xrx F

xv

rv

rrr

+úû

ùêë

é÷øö

çèæ

¶¶

+¶¶

¶¶

+ m1

(7)

( ) ( ) ( ) úû

ùêë

é÷ø

öçè

æ¶¶

+¶¶

¶¶

+¶¶

-=¶¶

+¶¶

+¶¶

r

v

x

vr

xrr

pvvr

rrvvr

xrv

txr

rrxxr 2111

mrrr

( ) ( ) rxrr Frv

vrr

vv

rv

rrr

++Ñ+-úû

ùêë

é÷øö

çèæ Ñ-

¶¶

¶¶

+2

2 .32

2.32

21

rm

mmrr

(8)

r

v

r

v

x

vv rrx +

¶¶

+¶¶

=Ñr

.

(9)

Dimana:

ρ = Densitas (kg.m-3)

r = Jari-jari reaktor (m)

vx = Kecepatan arah x (m.s-1)


commit to user

14

vr = Kecepatan arah r (m.s-1)

t = Waktu (s)

Fx = Gaya benda yang bekerja pada arah aksial (N)

Fr = Gaya benda yang bekerja pada arah radial (N)

µ = Viskositas (kg.m-1.s-1)

3. Persamaan konservasi energi

Persamaan konservasi energi dapat dituliskan sebagai berikut:

( ) ( )( ) ( ) hj

jjeff SvjhTkpEvEt

+÷÷ø

öççè

æ+-ÑÑ=+Ñ+

¶¶ å rrr

... trr (10)

Dimana:

ρ = Densitas (kg.m-3)

keff = Konduktifitas termal efektif (W.m-1.K-1)

= k +kt (dimana kt = konduktifitas termal turbulen)

jjr

= Fluks difusi spesies j

Sh = Penambahan sumber panas volumetrik (misalnya panas oleh reaksi

kimia)

E = Energi total spesifik (kJ.kg-1)

h = Entalpi sensibel (kJ.kg-1)

p = Tekanan (Pa)

t = Tensor tegangan

vr

= Vektor kecepatan (m.s-1)

Dalam pemodelan CFD fluent terdapat tiga elemen utama, yang terdiri dari

pre-processor, solver dan post-processor.

Pre-processor

Merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah

model CFD. Pre-pocessor adalah tahap dimana sebuah benda atau ruangan yang

akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga

dengan meshing. Kemudian data diinput mulai dari pendefinisian domain serta

pendefinisan kondisi batas atau boundary condition. Salah satu proses pre-


commit to user

15

processing yang tersedia dalam fluent adalah Gambit (Geometry And Mesh

Building Intelligent Toolkit).

Solver

Pada tahap ini dilakukan proses penghitungan data-data input dengan

persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya penghitungan dilakukan hingga

hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen.

Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan

proses integrasi persamaan diskrit.

Post-processor

Merupakan langkah terakhir dalam Fluent. Pada tahapan ini, hasil

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan

pola-pola warna tertentu.

2.2.3. Prosedur Pemodelan Geometri Menggunakan GAMBIT

Agar dapat memodelkan dan mensimulasikan dengan menggunakan

FLUENT, model geometri harus terlebih dulu dibuat dan berbagai parameter

simulasi harus terlebih dulu ditentukan. Untuk keperluan tersebut, digunakanlah

GAMBIT. GAMBIT berfungsi untuk membuat model geometri, melakukan

diskritisasi (meshing) pada model untuk análisis CFD.

Tahapan dalam proses pembuatan geometri dalam GAMBIT adalah:

1. Pembuatan geometri

Geometri dibuat dengan operation toolpad geometri yang tersedia pada

GAMBIT. Proses ini dapat dimulai dari pembuatan titik-titik (vertex), kemudian

menghubungkan titik-titik tersebut menjadi garis (edge), selanjutnya digabungkan

sehingga membentuk bidang (face). Kumpulan bidang-bidang tersebut nantinya

akan membentuk sebuah volume. Geometri juga dapat dibuat dengan mulai dari

pembuatan sebuah volume dengan perintah bentuk seperti bola, kubus, silinder,

atau bentuk lainnya. Kemudian bentuk volume tersebut dirubah sesuai keinginan

denggan perintah-perintah yang telah terseedia.

2. Pembuatan mesh

Pembuatan mesh adalah membagi volume atau bidang menjadi bagian-

bagian kecil agar dapat dianalisis pada progrram CFD. Ukuran mesh yang dibuat


commit to user

16

akan mempengaruhi ketelitian analisis CFD. Semakin kecil mesh yang dibuat

maka semakin teliti hasil analisisnya. Tetapi akan membutuhkan daya komputasi

yang semakin besar.

Metode pembuatan mesh hampir mirip dengan metode pembuatan

geometri yaitu dimulai dari pembuatan mesh garis, kemudian dilanjutkan dengan

pembuatan mesh bidang, dan selanjutnya mesh volume. Atau dapat juga diawali

dengan pembuatan mesh volume terlebih dahulu.

Secara umum, proses meshing dilakukan dengan menekan tombol perintah

mesh pada operation toolpad GAMBIT. Kemudian memilih garis, bidang, atau

volume yang akan dilakukan meshing. Dilanjutkan dengan memilih atau

menentukan tipe dan elemen, dan terakhir menentukan ukuran mesh.

3. Pendefinsian tipe batas (Boundary) dan kontinum

Pendefinisian tipe batas dan kontinum diperlukan dalam GAMBIT. Jika

tidak didefinisikan, maka FLUENT akan mendefinisikan secara otomatis. Sebagai

contohnya, setiap bidang dapat diberi nama jika diperlukan. Dan menentukan

jenis fluida atau padatan yang berada atau melalui bidang tersebut.

2.2.4. Prosedur Simulasi Dalam FLUENT

Dalam FLUENT, pertimbangan pemilihan-pemilihan dalam simulasi

sangat menentukan dalam memperoleh hasil yang baik. Beberapa hal yang harus

diperhatikan dalam FLUENT antara lain:

1. Pemilihan Solver

Pemilihan solver dilakukan pada awal menjalankan FLUENT. Terdapat

beberapa pilihan solver, antara lain: 2 dimensi single precision atau double

precision dan 3 dimensi single precision atau double precision. Double precision

memiliki tingkat ketelitian diatas single precision, namun membutuhkan daya

komputasi yang lebih besar.

2. Mengimpor Model Dan Memeriksa Mesh

Model yang telah dibuat di GAMBIT harus dibuka di FLUENT untuk

melakukan simulasi yang diinginkan. Proses membuka model dapat dilakukan

dengan perintah:

File Read Case


commit to user

17

File yang dapat dibuka adalah file dengan ekstensi *.msh dan *.cas. File

dengan ekstensi *.msh adalah file model yang telah di-mesh. File dengan ekstensi

*.cas adalah file kasus berisi model dan berbagai parameter simulasi yang telah

ditentukan sebelumnya.

Setelah berhasil membaca file model, mesh yang ada harus dicek terlebih

dahulu. Proses pengecekan dilakukan dengan perintah:

Apabila tidak terdapat pesan error pada konsol FLUENT atau nilai

minimum volume adalah negatif, maka proses dapat dilanjutkan.

Selain itu, perlu juga gemetri dikembalikan ke skala dasa pada saat

pembuatan, yaitu dengan perintah:

3. Parameter Solver

Pada menu solver terdapat beberapa parameter yang harus ditentukan,

yaitu formulasi solver, ruang model (space), waktu (time), dan formulasi

kecepatan.

4. Pembangkitan Energi.

Menu ini diaktifkan dengan perintah :

5. Kondisi Material

Kondisi material fluida yang akan dipakai dapat ditentukan dengan

perintah:

6. Kondisi Operasi

Kondisi operasi merupakan salah satu parameter yang harus didefinisikan

oleh pengguna FLUENT. Data yang harus dimasukkan pada kondisi operasi

Grid Check

Grid Scale

Define Model Energy

Define Model Solver

Define Material


commit to user

18

adalah tekanan udara sekitar dan percepatan gravitasi. Kondisi operasi ditentukan

dengan :

7. Kondisi Batas

Kondisi batas merupakan data masukan yang sangat penting untuk

simulasi aliran dengan FLUENT. Kondisi batas yang digunakan harus merupakan

parameter aliran yang dapat dipercaya nilainya. Secara garis besar pemodelan

terdiri dari beberapa kondisi batas, yaitu:

a. Velocity Inlet

Lokasi kondisi batas ini berada pada sisi masuk daerah saluran. Nilai

masukan yang dibutuhkan adalah kecepatan aliran serta arah aliran. Pada kondisi

batas ini, kecepatan masuk aliran dapat dibuat selalu tetap atau selalu berubah

sepanjang geometri.

b. Pressure Outlet

Kondisi batas ini dipakai pada sisi keluar fluida. Kondisi batas ini dipilih

apabila nilai tekanan statik pada sisis keluaran diketahui atau minimal dapat

diperkirakan mendekati nilai sebenarnya. Pada kondisi batas ini diperlukan nilai

masukan berupa tekanan statik serta arah aliran.

c. Wall

Seluruh dinding yang terdapat pada saluran (termasuk katup dan sudu)

didefinisikan sebagai dinding. Tidak ada nilai yang harus dimasukkan pada

kondisi batas ini apabila dinding tidak bergerak terhadap waktu dan tidak

melakukan perpindahan panas (adiabatik). Namun, apabila dinding bergerak

terhadap waktu, maka perlu untuk memasukkan kecepatan putar, sumbu putaran,

dan titik asal putaran.

e. Continuum

Kontinum (volume yang dilewati aliran) harus didefinisikan. Jenis fluida

dari kontinum dipilih berdasarkan fluida yang mengalir.

Define Operating Condition


commit to user

19

8. Iterasi

Iterasi adalah perhitungan dengan menggunakan metode coba-coba yang

dilakukan berulang kali. Fluent akan memulai perhitungan setelah inisiasi aliran

(fluida mulai dialirkan). Iterasi akan terus dilakukan hingga tercapai konvergensi

atau batas jumlah iterasi yang ditetapkan.

2.2.5. Parameter Penyelesaian Dalam Fluent

Dengan menggunakan FLUENT maka permasalahan aliran fluida akan

diselesaikan secara numerik. Dasarnya meliputi penentuan konvergensi, sehingga

solusinya akurat untuk semua jangkauan dari variabel aliran. Penjelasan tentang

parameter konvergen dan akurat (Santosa, 2009) tersebut adalah sebagai berikut:

1. Konvergen, berarti parameter aliran pada batas-batas aliran yang ada sudah

mendekati nilai kondisi batas yang ditetapkan sebelumnya. Skala konvergensi

pada FLUENT diterjemahkan dalam bentuk residual. Default nilai residual

maksimum pada FLUENT adalah 0,001. Nilai residual dapat diubah oleh

pengguna. Semakin kecil nilai residual, maka model aliran akan semakin

mendekati keadaan sebenarnya. Akan tetapi jumlah iterasi yang diperlukan

juga semakin banyak.

2. Akurat, adalah properti dari metode numerik untuk menghasilkan solusi yang

mendekati solusi eksak (eksperimen).

Reaksi–rekasi yang mungkin terjadi dalam proses gasifikasi dengan media

uap adalah sebagai berikut:

R1: C + H2O ↔ CO + H2 HD = 131,4 kJ/mol (11)

R2: CO + H2O ↔ CO2 + H2 HD = -41,7 kJ/mol (12)

R3: C + CO2 ↔ 2CO HD = 172 kJ/mol (13)

Laju reaksi persamaan 9 sampai 13 dapat dinyatakan dalam bentuk

persamaan laju Arhenius ( )E/RT-expA =r , dimana A, E, R, T secara berurutan

adalah faktor pre-eksponensial, energi aktivasi (kJ/mol), konstanta gas universal

(J/kmol.K), temperatur (K).

57,0

521

1 10RTE-

expA =r ÷øö

çèæ÷øö

çèæ OpH

(14)


commit to user

20

( )OHCOcc2

22 RT

E-expA =r ÷

øö

çèæ

(15)

38,033 2RT

E-expA =r COp÷

øö

çèæ

(16)

Tabel 2.1. Data konstanta reaksi dalam persamaan 11 sampai 13

Reaksi A E (kJ/kmol) Sumber

1 2,62 x 108 s-1bar0,57

237 (Barrio, Gøbel dkk., 2000)

2 2,5 x 108 m3kmol-1s-1 138 (Maki danMiura, 1997)

3 3,1 x 106 s-1bar0,38 215 (Barrio, Gøbel dkk., 2000)


commit to user

21

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat Pengujian

Pengujian dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Teknik Mesin

Universitas Sebelas Maret Surakarta.

3.2. Alat dan Bahan yang Digunakan

1. Satu unit reaktor gasifikasi dengan pemanas listrik

Tempat berlangsungnya proses reaksi gasifikasi dengan sumber panas

eksternal.

Gambar 3.1 Reaktor gasifikasi

2. Voltage regulator

Alat yang berfungsi untuk mengatur besar kecilnya tegangan keluaran

yang masuk dari tegangan listrik PLN (220 V). Regulator ini digunakan

untuk mengatur tegangan masukan pada pemanas listrik reaktor gasifikasi.

(Spesifikasi 2 kVA, arus maksimum 8 ampere).

Gambar 3.2 Voltage regulator

Reaktor gasifikasi


commit to user

22

3. AC Clamp-on Meter

Digunakan dalam pengukuran arus yang dibutuhkan pada pemanas listrik

agar tercapai temperatur pemanas yang diinginkan.

Gambar 3.3 AC Clamp-on Meter

4. Pendingin gas hasil

Digunakan untuk mengurangi temperatur producer gas yang keluar dari

reaktor agar dapat ditampung dalam kantong plastik.

5. Thermoreader

Alat yang digunakan untuk menunjukkan atau membaca temperatur yang

diukur oleh sensor thermocouple pada uap masuk reaktor, temperatur

ruangan reaktor, dan temperatur bahan uji.

Gambar 3.4 Thermoreader

6. Thermocouple

Alat atau sensor suhu untuk mengukur temperatur uap masuk reaktor,

temperatur ruangan reaktor, dan temperatur bahan uji. Termokopel yang

digunakan tipe-K.


commit to user

23

Gambar 3.5 Thermocouple 7. Pembangkit uap

Alat untuk menghasilkan uap air panas lanjut yang digunakan sebagai agen

dalam proses gasifikasi.

8. Satu buah stopwatch

Digunakan untuk merekam waktu selama pengujian.

Gambar 3.6 Stopwatch

9. Satu unit gas analyzer

Digunakan untuk mengukur kandungan gas H2 dan CO dalam producer

gas.

Gambar 3.7 Gas Analyzer

10. Bahan baku biomasa sekam padi dan arang kayu

Digunakan sebagai bahan utama untuk membuat producer gas pada

proses gasifikasi.


commit to user

24

· Sekam padi

Sekam padi (Gambar 3.8) merupakan limbah penggilingan padi yang

jumlahnya mencapai 20-23 % dari gabah (Rahmat, 2006). Sekam padi

mempunyai kandungan energi yang rendah (14,5 MJ/kg), massa jenis

yang rendah sekitar 110 kg/m3, dan kadar abunya yang tinggi sekitar

20% (Suyitno, 2009)

Gambar 3.8 Sekam padi

Menurut (Han, 2004), dari analisis ultimate dan analisis proximate

pada sekam padi bahwa sebagian besar sekam padi terdiri dari komponen

yang mudah menguap (volatille matter). Nilai Fixed Carbon (FC) sekam

padi sebesar 14,1% sedangkan nilai kalor dari sekam padi adalah sekitar

14,5 MJ/kg (Suyitno, 2009) dan dibawah nilai kalor kayu (30,17

MJ/kg)(Hains, 2011).

· Arang

Arang kayu (Gambar 3.9) yang digunakan berukuran antara mesh 20

dan mesh 30. Fixed Carbon yang terkandung dalam arang kayu relatif

tinggi yaitu 77,55%, sedangkan zat yang mudah menguap nilainya lebih

rendah bila dibandingkan dengan sekam padi yaitu 16,81% (Hains,

2011).

Gambar 3.9 Arang kayu


commit to user

25

11. Zat sorbent Calsium Oxide (CaO)

Berbentuk bubuk yang digunakan sebagai bahan tambahan untuk

mengikat CO2 dalam gas hasil gasifikasi.

Gambar 3.10 Calsium Oxide (CaO)

12. Software CFD FLUENT dan komputer.

3.3. Prosedur penelitian (eksperimen)

a. Persiapan sebelum melakukan gasifikasi

1. Mempersiapkan reaktor gasifikasi dan menyusun peralatan yang

digunakan (voltage regulator, AC Clamp-on Meter, termokopel dan

reader, stop watch, gas analyzer, pendingin gas, penampung gas).

Pastikan semua peralatan dapat dioperasikan dengan baik.

2. Mempersiapkan bahan uji (sekam padi dan arang kayu) dan menimbang

massa sekam padi dan arang kayu sesuai perbandingan massa (100%

sekam padi, 50% + 50% arang kayu, 100% arang kayu):

- Sekam padi = 145g

- Sekam padi + arang kayu = 72,5g + 72,5g = 145g

- Arang kayu = 145g

3. Mempersiapkan zat penjerab CO2 yaitu batu kapur (CaO)

4. Mengatur uap untuk variasi rasio uap/biomasa: 0,25/1, 1/1.

5. Mempersiapkan bahan baku uji + zat penjerab CaO dengan rasio massa

CaO/biomasa: 0,25/1, 0,5/1, 1/1.

6. Mempersiapkan pendingin producer gas.

7. Menyalakan pemanas listrik pada reaktor dan mengatur temperatur

reaktor sampai pada suhu 650oC.

b. Prosedur yang dilaksanakan ketika proses gasifikasi sedang berlangsung


commit to user

26

1. Menyiapkan uap dan set rasio uap/biomasa 0,25/1. Kemudian

memasukkan uap panas lanjut ke dalam reaktor.

2. Mengukur dan mencatat temperatur uap dalam reaktor pada variasi

400oC

3. Memasukkan bahan baku gasifikasi dengan variasi 100% sekam ke

dalam reaktor dan mulai menghitung waktu dengan stopwatch.

4. Mencatat temperatur bahan uji gasifikasi.

5. Menampung producer gas yang keluar dari pendingin producer gas

sebagai gas sample untuk diuji di gas analyzer.

6. Menguji gas sample pada gas analyzer dan mencatat nilai kandungan

H2 dan CO dalam gas sample.

7. Menghentikan pencatatan temperatur bahan uji gasifikasi, setelah tidak

keluar producer gas keluaran pendingin producer gas atau producer gas

tidak mampu menyala jika dibakar dari dan menghentikan waktu

stopwatch.

c. Prosedur yang dilaksanakan setelah proses gasifikasi berakhir

1. Mengeluarkan sisa bahan baku gasifikasi dari dalam reaktor.

2. Mengulangi langkah b1 sampai dengan c1 dengan variasi biomasa 50%

sekam padi + 50% arang kayu, dan 100% arang kayu.

3. Mengulangi langkah b1 sampai dengan c2 dengan variasi rasio

uap/biomasa 0,5/1 dan 1/1.

4. Mengulangi langkah b1 sampai dengan c3 dengan variasi rasio

temperatur uap 500oC.

d. Prosedur yang dilaksanakan ketika proses gasifikasi dengan zat penjerab

CaO sedang berlangsung

1. Menyiapkan uap dan set pengaturan laju massa gas pada rasio

uap/biomasa 0,25/1. Kemudian memasukkan uap panas lanjut ke dalam

reaktor.

2. Mengukur dan mencatat temperatur uap dalam reaktor pada variasi

temperatur uap yang menghasilkan kandungan hidrogen tertinggi pada

proses gasifikasi tanpa penambahan CaO.


commit to user

27

3. Memasukkan bahan baku gasifikasi dengan variasi 100% sekam dan

rasio CaO/biomasa 0,25/1 ke dalam reaktor dan muali menghitung

waktu dengan stopwatch.

4. Mencatat temperatur bahan uji gasifikasi.

5. Menampung producer gas yang keluar dari pendingin producer gas

sebagai gas sample untuk di uji di gas analyzer.

6. Menguji gas sample pada gas analyzer dan mencatat nilai kandungan

H2 dan CO dalam gas sample.

7. Menghentikan pencatatan temperatur bahan uji gasifikasi, setelah tidak

keluar producer gas keluaran pendingin producer gas atau producer gas

tidak mampu menyala jika dibakar dari dan menghentikan waktu

stopwatch.

e. Prosedur yang dilaksanakan setelah proses gasifikasi dengan zat penjerab

CaO berakhir

1. Mengeluarkan sisa bahan baku gasifikasi dari dalam reaktor.

2. Mengulangi langkah d1 sampai dengan e1 dengan variasi biomasa

100% sekam padi dan rasio CaO/biomasa 0,5/1.


100% sekam padi dan rasio CaO/biomasa 1/1.

4. Mengulangi langkah d1 sampai dengan e1 dengan variasi biomasa 50%

sekam padi + 50% arang kayu pada rasio CaO/biomasa 0,25/1, rasio

CaO/biomasa 0,5/1, dan rasio CaO/biomasa 1/1.


100% arang kayu pada rasio CaO/biomasa 0,25/1, rasio CaO/biomasa

0,5/1, dan rasio CaO/biomasa 1/1.

3.4. Simulasi dalam FLUENT

Membuat geometri 2 dimensi dan melakukan proses meshing dalam

GAMBIT. Selanjutnya menentukan boundary condition dan continuum.

Kemudian menyimpan file dalam bentuk *.msh.

Proses dalam fluent secara garis besar adalah:

a. Membuka file yang telah di-export dari Gambit.


commit to user

28

b. Mengecek grid dari geometri.

c. Menentukan model dari simulasi.

d. Memasukkan material yang digunakan.

e. Memasukkan parameter boundary condition.

f. Initialize.

g. Iterasi.

h. Post processing.

3.5. Skema penelitian

Gambar 3.11 Skema Penelitian


commit to user

29

3.6. Tahap Penelitian

Garis besar penelitian tersebut dapat dibuat diagram alir sebagai berikut :


commit to user

30

Gambar 3.12 Diagram alir penelitian


commit to user

31

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Analisis CFD pada Gasifikasi Sekam Padi-Uap

Tujuan dari analisis CFD pada tugas akhir ini adalah untuk mempelajari

mekanisme terbentuknya producer gas pada gasifikasi sekam padi-uap. Gambar

4.1 dan Gambar 4.2 menjelaskan bahwa produksi H2 dan CO hasil simulasi dan

eksperimen adalah dekat. Pada simulasi dilibatkan tiga jenis reaksi, yaitu:

1. Reaksi Bouduard (C + CO2 à 2CO)

2. Reaksi gasifikasi uap (C + H2O à CO + H2)

3. Reaksi water gas shift (CO + H2O à CO2 + H2)

Gambar 4.1 Konsentrasi H2 dalam producer gas dari eksperimen dan simulasi pada gasifikasi sekam

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0.25 0.5 1

Kon

sent

rasi

H2

S/B

Simulasi_T uap = 400°C Eksperimen_T uap = 400°C

Simulasi_T uap = 500°C Eksperimen_T uap = 500°C


commit to user

32

Gambar 4.2 Konsentrasi CO dalam producer gas dari eksperimen dan simulasi pada gasifikasi sekam

(a) Temperatur uap 400oC, rasio uap/biomasa = 0,25

(b) Temperatur uap 400oC, rasio uap/biomasa = 0,5

(c) Temperatur uap 400oC, rasio uap/biomasa = 1

Gambar 4.3 Profil temperatur (K) dalam reaktor gasifikasi sekam padi-uap dengan

temperatur uap 400oC

Gambar 4.3 memperlihatkan bahwa pada temperatur uap masuk 400oC, pada

rasio uap/biomasa 0,25 diperoleh temperatur reaktor yang lebih tinggi

dibandingkan dengan rasio uap/biomasa 0,5 dan 1. Dengan temperatur reaktor

yang lebih tinggi pada rasio uap/biomasa 0,25 dapat diperoleh peningkatan laju

reaksi sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 4.4. Besarnya laju reaksi R1 > R2

> R3. Laju reaksi yang besar terjadi pada bagian reaktor yang dipanasi.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0.25 0.5 1

Kon

sent

rasi

CO

S/B

Simulasi_T uap = 400°C Eksperimen_T uap = 400°CSimulasi_T uap = 500°C Eksperimen_T uap = 500°C


commit to user

33




Gambar 4.4 Laju reaksi R1 s.d. R3 pada gasifikasi sekam padi dengan temperatur uap 400oC

0.00E+00

2.00E-04

4.00E-04

6.00E-04

8.00E-04

1.00E-03

1.20E-03

1.40E-03

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Laju

Rea

ksi

(km

ol/m

3 /s)

Panjang Dinding Atas

R1

R2

R3

0.00E+00

2.00E-04

4.00E-04

6.00E-04

8.00E-04

1.00E-03

1.20E-03

1.40E-03

1.60E-03

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Laju

Rea

ksi

(km

ol/m

3 /s)


R1

R2

R3

0.00E+00

5.00E-04

1.00E-03

1.50E-03

2.00E-03

2.50E-03

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Laju

Rea

ksi

(km

ol/m

3 /s)


R1

R2

R3


commit to user

34

Semakin besar rasio uap/biomasa menyebabkan laju reaksi R1 meningkat,

sehingga jumlah CO dan H2 meningkat. Bersamaan dengan itu laju reaksi R2 juga

mengalami peningkatan seiring dengan meningkatnya rasio uap/biomasa sehingga

mengubah CO menjadi CO2 dan H2. Semakin besarnya laju reaksi R2 ditandai

oleh penurunan temperatur reaktor pada rasio uap/biomasa = 1 sebagaimana dapat

dilihat pada Gambar 4.3c karena reaksi R2 bersifat endoterm. Jadi walaupun

jumlah H2 meningkat pada rasio uap/biomasa 0,5 dan 1, namun karena diiringi

juga oleh peningkatan CO2 karena reaksi R2 sehingga konsentrasi H2 pada rasio

uap/biomasa 0,5 dan 1 mengalami penurunan jika dibandingkan dengan

konsentrasi H2 pada rasio uap/biomasa 0,25. Konsentrasi CO2 pada rasio

uap/biomasa 1 dan 0,25 masing-masingnya adalah 1,5% dan 12%.




Gambar 4.5 Profil temperatur (K) dalam reaktor gasifikasi sekam padi-uap dengan temperatur uap 500oC


commit to user

35




Gambar 4.6 Laju reaksi R1 s.d. R3 pada gasifikasi sekam padi dengan temperatur uap 500oC

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Laju

Rea

ksi

(km

ol/m

3 /s)


R1

R2

R3

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Laju

Rea

ksi

(km

ol/m

3 /s)


R1

R2

R3

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Laju

Rea

ksi

(km

ol/m

3 /s)


R1

R2

R3


commit to user

36

Penggunaan uap bertemperatur 500oC mampu meningkatkan kembali

temperatur dalam reaktor gasifikasi sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 4.5.

Sama halnya dengan gasifikasi uap bertemperatur 400oC, pada gasifikasi sekam

padi dengan media uap bertemperatur 500oC terjadi kenaikan laju reaksi R1 dan

khusus untuk laju reaksi R2 terjadi kenaikan secara signifikan sebagaimana dapat

dilihat pada Gambar 4.6. Pada rasio uap/biomasa 0,25 dan 0,5 harga rata-rata laju

reaksi R2 mendekati harga rata-rata laju reaksi R1. Dengan demikian, CO yang

terbentuk pada reaksi R1 bereaksi kembali dengan H2O membentuk CO2 dan H2.

Sedangkan pada rasio uap/biomasa 1, harga rata-rata laju reaksi R1 jauh lebih

besar dibandingkan harga rata-rata laju reaksi R2 sehingga proses bereaksinya CO

dengan H2O lebih lambat. Akibatnya konsentrasi H2 pada rasio uap/biomasa 1

lebih rendah dibandingkan konsentrasi H2 pada rasio uap/biomasa 0,25.

4.2. Konsentrasi Gas H2 dan CO dalam Gasifikasi tanpa CaO

Gambar 4.7 dan Gambar 4.10 menunjukkan pengaruh rasio uap/biomasa

terhadap konsentrasi gas H2 dan CO dalam producer gas dengan temperatur uap

400°C. Kedua grafik tersebut menunjukkan bahwa pengaruh uap yang diberikan

hingga rasio uap-biomasa sebesar 0,25 menyebabkan kadar hidrogen dalam gas

hasil meningkat, dan mengalami penurunan seiring dengan penambahan uap. Dari

Gambar 4.7 terlihat bahwa penambahan arang pada sekam padi mampu

meningkatkan kadar H2 pada gasifikasi sekam tanpa uap (S/B = 0) dari 8,4%

menjadi 10,8%. Tetapi pada gasifikasi arang tanpa uap, tidak terjadi peningkatan

hidrogen dibandingkan dengan gasifikasi sekam-arang. Hal ini dikarenakan

kandungan air dan volatil yang ada di dalam arang lebih kecil dibandingkan

dengan sekam padi. Sehingga gas yang dihasilkan dari gasifikasi arang tanpa uap

jumlahnya kecil. Pada gasifikasi sekam dengan uap bertemperatur 400oC,

penambahan arang dapat meningkatkan kadar hidrogen dalam producer gas.

Dalam producer gas pada rasio uap/biomasa 0,25, kadar hidrogen sebesar 23,1%

mengalami peningkatan dengan menambahkan 50% arang ke dalam sekam

menjadi 29,8% dan 100% arang dengan kadar hidrogen sebesar 43,3%.

Peningkatan kadar hidrogen ini disebabkan terjadinya reaksi arang-uap yang

menghasilkan hidrogen.


commit to user

37

Gambar 4.7 Konsentrasi hidrogen dalam producer gas pada gasifikasi dengan temperatur uap 400°C dan tanpa CaO

Gambar 4.7 juga menunjukkan bahwa penambahan uap bertemperatur

400oC dengan rasio S/B lebih dari 0,25 justru menurunkan kadar hidrogen dalam

producer gas gasifikasi sekam, gasifikasi sekam-arang, dan gasifikasi arang. Hal

ini disebabkan oleh adanya reaksi gasifikasi uap (steam gasification) yang bersifat

endoterm sehingga menurunkan temperatur gas dalam reaktor gasifikasi. Dengan

terjadinya penurunan temperatur (lihat Gambar 4.8) menyebabkan laju reaksi

antara arang (karbon) dengan uap juga mengalami penurunan.

Kadar hidrogen tertinggi pada gasifikasi sekam dengan uap bertemperatur

400oC diperoleh pada rasio S/B = 0,25 yaitu sebesar 23,1%. Kadar hidrogen

tertinggi pada gasifikasi 50% sekam + 50% arang dengan uap bertemperatur

400oC diperoleh pada rasio S/B = 0,25 yaitu sebesar 29,8%. Kadar hidrogen

tertinggi pada gasifikasi 100% arang dengan uap bertemperatur 400oC diperoleh

pada rasio S/B = 0,25 yaitu sebesar 43,3% sebagaimana dapat dilihat pada

Gambar 4.7 Akibat pengaruh penambahan temperatur uap menjadi 500oC, kadar

hidrogen meningkat sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 4.9. Pada gasifikasi

dengan temperatur uap 500oC, hidrogen tertinggi dicapai pada S/B = 0,25 yaitu

43,8% untuk sekam, 51,7% untuk sekam + arang, dan 52% untuk arang.

Kecenderungan yang hampir mirip juga terjadi pada gas CO yang

dihasilkan. Pada gasifikasi sekam padi dengan uap bertemperatur 400oC, kenaikan

rasio S/B sampai 0,5 mengakibatkan semakin tingginya kadar CO dalam producer

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 0.25 0.5 1

Kon

sent

rasi

H2

S/B

Sekam Sekam + Arang Arang


commit to user

38

gas dari 1,2%, 1,9%, dan 2,9%. Selanjutnya kadar CO mengalami penurunan

seiring dengan pertambahan rasio uap/biomasa. Secara umum dapat dikatakan

bahwa penambahan arang menyebabkan peningkatan kadar CO dalam producer

gas seperti ditunjukkan dalam Gambar 4.10.

Sementara itu penambahan temperatur uap menjadi 500oC menyebabkan

penurunan CO. Kenaikan temperatur uap menyebabkan laju reaksi antara CO dan

H2O semakin tinggi. Akibatnya, konsentrasi H2 dalam producer gas meningkat

sedangkan konsentrasi CO dalam producer gas menurun. Sebagaimana dapat

dilihat pada Gambar 4.11, konsentrasi CO dalam producer gas adalah di bawah

2% untuk semua variasi yang dilakukan pada penelitian ini.

Gambar 4.8 Temperatur reaktor gasifikasi pada gasifikasi dengan temperatur uap 400°C

Gambar 4.9 Konsentrasi H2 dalam producer gas pada gasifikasi dengan

temperatur uap 500°C dan tanpa CaO

300

400

500

600

700

800

900

0.25 0.5 1

Tem

pera

tur

Rea

ktor

G

asif

ikas

i (o C

)

S/B


0%10%20%30%40%50%60%70%

0 0.25 0.5 1

Kon

sent

rasi

H2

S/B



commit to user

39

Gambar 4.10 Konsentrasi CO dalam producer gas pada gasifikasi dengan


Gambar 4.11 Konsentrasi CO dalam producer gas pada gasifikasi dengan


4.3. Konsentrasi Gas H2 dan CO dalam Gasifikasi dengan Penambahan

Adsorben CaO

Pada pembahasan sebelumnya terlihat bahwa gasifikasi dengan uap

bertemperatur 500oC dapat menghasilkan hidrogen dengan konsentrasi yang lebih

tinggi dibanding dengan gasifikasi uap bertemperatur 400oC. Oleh karena itu,

gasifikasi dengan adsorben CaO dilakukan pada temperatur uap 500oC.

Gambar 4.12 menunjukkan konsentrasi H2 dalam producer gas pada

gasifikasi sekam dengan temperatur uap 500°C dan dengan penambahan CaO.

Seperti pada gasifikasi tanpa CaO, konsentrasi H2 yang tinggi dapat dicapai pada

rasio S/B = 0,25. Dengan menambahkan CaO pada gasifikasi sekam pada S/B =

0,25 dengan rasio CaO/B = 0,25 dapat meningkatkan konsentrasi hidrogen dari

0%

2%

4%

6%

8%

0 0.25 0.5 1

Kon

sent

rasi

CO

S/B


0%

2%

4%

6%

0 0.25 0.5 1

Kon

sent

rasi

CO

S/B



commit to user

40

43,8% (lihat Gambar 4.9) menjadi 50,9% (lihat Gambar 4.12). Jumlah zat

penjerab berpengaruh dalam produksi hidrogen sebagaimana digunakan untuk

meningkatkan H2 dalam komposisi gas hasil karena reaksi antara CaO dan CO2

yang bersifat eksoterm, sehingga panas yang dilepaskan bermanfaat bagi reaksi

utama gasifikasi uap yang bersifat endoterm.

Gambar 4.13 menunjukkan konsentrasi H2 dalam producer gas pada

gasifikasi sekam + arang dengan temperatur uap 500oC dan dengan penambahan

CaO. Seperti pada gasifikasi tanpa CaO, konsentrasi H2 yang tinggi dapat dicapai

pada rasio S/B = 0,25. Dengan menambahkan CaO pada gasifikasi sekam + arang

pada S/B = 0,25 dengan rasio CaO/B = 0,25 mampu meningkatkan konsentrasi

hidrogen dari 51,7% (lihat Gambar 4.9) menjadi 54,7% (lihat Gambar 4.13). Pada

gasifikasi sekam + arang, pengaruh penambahan CaO terhadap peningkatan

konsentrasi hidrogen juga terlihat pada S/B = 0,25 dengan rasio CaO/B = 0,5,

yaitu meningkat dari 38,5% (lihat Gambar 4.9) menjadi 42,2% (lihat Gambar

4.13).

Gambar 4.12 Konsentrasi H2 dalam producer gas pada gasifikasi sekam dengan

temperatur uap 500°C dan dengan CaO

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 0.25 0.5 1

Kon

sent

rasi

H2

(%)

CaO/B

S/B = 0 S/B = 0,25 S/B = 0,5 S/B = 1


commit to user

41

Gambar 4.13 Konsentrasi H2 dalam producer gas pada gasifikasi sekam + arang

dengan temperatur uap 500°C dan dengan CaO

Gambar 4.14 Konsentrasi H2 dalam producer gas pada gasifikasi arang dengan


Pada gasifikasi arang dengan penambahan adsorbent CaO dapat dilihat

bahwa konsentrasi hidrogen tertinggi dicapai pada rasio S/B = 0,25 sebagaimana

dapat dilihat pada Gambar 4.14. Seiring penambahan CaO dengan rasio CaO/B =

0,25, 0,5 dan 1 diperoleh kadar hidrogen masing-masingnya adalah 66,4%,

66,9%, dan 74,7%. Penambahan adsorben CaO dengan rasio CaO/B = 0,25 pada

gasifikasi arang dengan S/B = 0,25 dan 0,5 dapat meningkatkan konsentrasi

hidrogen tetapi tidak signifikan.

Gambar 4.15, Gambar 4.16, Gambar 4.17 masing-masingnya menunjukkan

konsentrasi CO pada gasifikasi sekam, sekam + arang, dan arang pada

penambahan adsorben CaO. Adsorbent CaO berfungsi mengikat CO2 sehingga

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 0.25 0.5 1

Kon

sent

rasi

H2

(%)

CaO/B

S/B = 0 S/B = 0,25 S/B = 0,5 S/B = 1

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

0 0.25 0.5 1

Kon

sent

rasi

H2

(%)

CaO/B

S/B = 0 S/B = 0,25 S/B = 0,5 S/B = 1 1


commit to user

42

kadar H2 dan CO mengalami peningkatan. Rata-rata peningkatan konsentrasi H2

dan CO pada semua variasi penelitian ini karena penambahan adsorben CaO

masing-masingnya adalah 1,34 kali dan 3,36 kali.

Gambar 4.15 Konsentrasi CO dalam producer gas pada gasifikasi sekam dengan temperatur uap 500°C dan dengan CaO

Gambar 4.16 Konsentrasi CO dalam producer gas pada gasifikasi sekam + arang

dengan temperatur uap 500°C dan dengan CaO

0%

2%

4%

6%

8%

10%

0 0.25 0.5 1

Kon

sent

rasi

CO

(%)

CaO/B

S/B = 0 S/B = 0,25 S/B = 0,5 S/B = 1 1

0%

2%

4%

6%

8%

10%

0 0.25 0.5 1

Kon

sent

rasi

CO

(%)

CaO/B

S/B = 0 S/B = 0,25 S/B = 0,5 S/B = 1 1


commit to user

43

Gambar 4.17 Konsentrasi CO dalam producer gas pada gasifikasi arang dengan


0%

2%

4%

6%

8%

10%

0 0.25 0.5 1

Kon

sent

rasi

CO

(%)

CaO/B

S/B = 0 S/B = 0,25 S/B = 0,5 S/B = 1 1


commit to user

44

BAB V

PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa

kesimpulan yaitu :

1. Pengaruh uap sebagai agen dalam gasifikasi dengan rasio uap/biomasa 0

sampai dengan 0,25 menyebabkan peningkatan konsentrasi hidrogen dalam

gas hasil dan mengalami penurunan konsentrasi hidrogen untuk rasio

uap/biomasa lebih dari 0,25 untuk bahan uji sekam padi, sekam padi+arang

kayu, dan arang kayu.

2. Kenaikan temperatur uap sebagai agen dari 400oC ke 500oC berpengaruh

terhadap meningkatkan konsentrasi hidrogen dalam gas hasil untuk semua

bahan uji dan untuk setiap rasio uap/bahan uji.

3. Penambahan CaO dalam proses gasifikasi sebagai zat adsorben CO2 dapat

meningkatkan konsentrasi hydrogen dan CO. Rata-rata peningkatan

konsentrasi H2 dan CO pada semua variasi penelitian ini karena penambahan

adsorben CaO masing-masingnya adalah 1,34 kali dan 3,36 kali.

4. Kadar H2 dan kadar CO antara hasil eksperimen dan simulasi proses

gasifikasi sekam padi dengan uap temperatur 400oC dan 500oC menunjukkan

hasil yang tidak jauh berbeda.


commit to user

45

5.2. Saran

Untuk mengembangkan penelitian gasifikasi dengan agen uap secara lebih

lanjut, maka penulis ingin memberikan beberapa saran yang mungkin berguna

pada penelitian yang akan datang yaitu :

1. Perlu dilakukan penelitian selanjutnya tentang gasifikasi biomasa dengan

agen uap untuk variasi rasio uap/biomasa dengan range yang lebih sempit (0,

0,1, 0,15, 0,2, 0,25, dst).

2. Perlu pengukuran parameter-parameter lain yang berpengaruh dalam proses

gasifikasi uap diantaranya adalah tekanan, konsentrasi gas CO2, konsentrasi

gas CH4.

3. Perlu dilakukan penelitian tentang peningkatan konsentrasi hidrogen dengan

metode selain penjeraban CO2 (misalnya dengan pemakaian katalis).

Documents

KAJI EKSPERIMENTAL DAN SIMULASI CFD PROSES …/Kaji-Eks... · Kaji Eksperimental dan Simulasi CFD Proses ... dan menyelesaikan Tugas Akhir “Kaji Eksperimental dan Simulasi ... Prosedur