ANALISIS DINAMIKA FLUIDA PADA MODIFIKASI REAKTOR ...eprints.unsri.ac.id/8313/1/PaperFullPenelitianBudiSantosoAVoER_IX_2017oke.pdfFakultas Teknik Universitas Sriwijaya ANALISIS DINAMIKA

Seminar Nasional AVoER IX 2017Palembang, 29 November 2017

Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya

ANALISIS DINAMIKA FLUIDA PADA MODIFIKASI REAKTORGASIFIKASI TIPE UPDRAFT

Budi Santoso1*,Danang Aji Darmawan 1 dan Raju Pratama1

1 Teknik Kimia, Universitas Sriwijaya, PalembangCorresponding author: [email protected]

ABSTRAK: Dalam proses gasifikasi variabel kecepatan alir gas dan tekanan gas memegang peranan yang cukuppenting dalam menghasilkan konversi gasifikasi yang tinggi. Untuk itu dilakukan penelitian terhadap geometri reaktorgasifikasi dengan memodifikasi geometri reaktor gasifikasi konvensional. Dari hasil simulasi dinamika fluida secara 2dimensi didapatkan bahwa modifikasi geometri reaktor gasifikasi dapat meningkatkan laju alir gas keluar reaktorsebesar 55,7 m/detik pada 10 menit reaksi gasifikasi apabila dibandingkan dengan geometri reaktor gasifikasikonvensional yang hanya mencapai 52,9 m/detik pada waktu reaksi yang sama. Geometri Reaktor yang telahdimodifikasi juga menghasilkan kenaikan tekanan dalam reaktor yaitu 1,53 kPa dibandingkan dengan Geometri ReaktorGasifikasi konvensional yang hanya mencapai tekanan 1,52 kPa. Sementara itu pada profil perpindahan panas, waktusteady state dapat dicapai pada waktu 31 menit dengan temperatur 600 K pada bagian bawah reaktor dan temperatur400 K pada bagian atas reaktor

Kata Kunci: Gasifikasi, Kecepatan Gas, Simulasi, Dinamika Fluida

ABSTRACT: In the gasification process gas flow velocity and gas pressure variables play an important role inproducing high gasification conversion. Therefore, a research on geometry of gasification reactor by modifyinggeometry of conventional gasification reactor has been held. From the simulation result of two dimensional fluiddynamics, it was found that modification of geometric gasification reactor can increase the gas flow rate out fromreactor by 55,7 m / s at the time of 10 minute gasification reaction when compared with conventional gasificationreactor geometry which only reach 52,9 m/s at the same reaction time. The modified reactor geometry also increasepressure in the reactor which is 1.53 kPa compared with conventional Gasification Reactor Geometry which reachesonly 1.52 kPa. Meanwhile in the heat transfer profile, the steady state time can be reached at 31 minutes withtemperature of 600 K at the bottom of the reactor and temperature of 400 K at the top of the reactor

Keywords: Gasification, Gas Velocity, Simulation, Fluid Dynamics

PENDAHULUAN

Program Waste to Energy secaraTermokimia seperti Pirolisis dan Gasifikasisaat ini sudah mulai dikembangkan secaraintensif dan mempunyai tahapan penelitianyang mengarah pada teknologi proses sepertiefisiensi sumber panas dan bahan baku sepertisumber biomassa.

Pemanfaatan biomassa sebagai sumberenergi di Indonesia kebanyakan masih berupapembakaran langsung, seperti pada pabrik guladan pabrik kelapa. Biomassa yang berupaampas tebu atau serabut kelapa sawitdigunakan sebagai bahan bakar boiler untuk

menghasilkan uap bertekanan tinggi. Uaptersebut digunakan untuk memutar turbinpenggerak mesin-mesin di pabrik serta untukmembangkitkan listrik. Penggunaan lain,biomassa juga dimanfaatkan di beberapapengolahan kayu. Namun cara yang digunakanmasih berupa pembakaran langsung.

Gasifikasi dinilai lebih sesuai dibandingkandengan dikembangkan untuk mengolah sumberbiomassa dikarenakan produk unggulan danprioritas dari masing masing proses ternyataberbeda. Pirolisis lebih cenderungmenghasilkan Bio Oil dan produk padatsedangkan Gasifikasi lebih diarahkan untukmenghasilkan gas yang mempunyai heating

Nama penulis tunggal, misal B.K. Susilo atau nama penulis pertama saja, misal B.K. Susilo, et al.

value yang tinggi sehingga dapat langsungdigunakan untuk berbagai keperluan.

Gasifier merupakan istilah untuk reaktoryang memproduksi gas produser dengan carapembakaran tidak sempurna (oksidasisebagian) bahan bakar biomassa pada suhusekitar 1000 oC (Rajvanshi, 1986). Berdasarkansumber panas dan arah aliran yang terjadi,gasifier dapat dibagi menjadi beberapa tipeyaitu updraft, downdraft, inverted downdraft,crossdraft, dan fluidized bed.

Gasifikasi Biomassa merupakan alat yangdapat digunakan untuk menghasilkan gassintetis (syn-gas) dari bahan bakar padat yangantara lain berasal dari biomassa (sampah padatperkotaan, limbah pertanian, perkebunan dankehutanan) dan batubara. Dengan pemanasandalam gasifier, bahan baku biomassa/batubaraakan terurai menjadi gas hidrogen, metana,karbon monoksida, karbon dioksida, nitrogen,polutan dan abu.

Reaksi gasifikasi merupakan reaksi yangkompleks, secara umum melibatkan area prosesyaitu pembakaran (combustion), Area reduksi(Reduction zone), area pirolisis (pyrolisiszone), dan area Pengeringan (drying zone ).

Pada gasifier jenis updraft , Udara masuk dibagian bawah dan gas hasil gasifikasi mengalirdari atas gasifier. Reaksi pembakaran terjadidari bawah, di atasnya akan dilanjutkan denganreaksi reduksi. Di bagian atas pemanasangasifier dan pirolisa bahan baku terjadi sebagaihasil perpindahan panas dengan konvensi danradiasi paksa dari zona bawah.

Reaksi pembakaran pada gasifier ini tejadidi dekat grate kemudian diikuti reaksi reduksi(proses gasifikasi). Reaksi reduksi tersebutakan menghasilkan gas bertemperatur tinggi.Gas hasil reaksi (gas produser) bergerak kebagian atas gasifier menembus unggun bahanbakar menuju daerah yang bertemperatur lebihrendah. Pada saat menembus unggun bahanbakar, gas produserakan kontak dengan bahanbakar yang turun sehingga tejadi prosespirolisis dan pertukaran panas antara gas danbahan bakar. Panas sensible yang diberikan gasdigunakan bahan bakar untuk pemanasan awaldan pengeringan bahan bakar. Proses pirolisisdan pengeringan tersebut tejadi pada bagianteratas gasifier.

Kandungan Tar dan produk mudah menguapdihasilkan selama reaksi akan meninggalkanbersama dengan syn gas di bagian atas gasifier.Yang kemudian akan dipisahkan denganpenggunaan siklon.

Kecepatan aliran gas, tekanan gas, dan polaaliran udara masuk kedalam reaktor gasifikasijuga menyebabkan pengaruh dalam distribusipanas reaktor yang pada akhirnya akanmempengaruhi efisiensi perpindahan panas. Iniakan berakibat pada waktu perubahan tahapgasifikasi menjadi lebih lama dan akanmenghasilkan kandungan tar yang tinggidengan volume keluaran yang banyak.

Gambar 1. Zona Reaksi dalam Gasifikasi

Sumber : Sumber : Basu Prabir, Biomass Gasification, Pyrolysis,andTorrefaction Practical Design and Theory

Banyaknya kandungan tar yang dihasilkanselama proses gasifilasi diakibatkan olehpembakaran yang kurang sempurna antarasumber karbon dan udara pembakaran.Walaupun secara stoikiometri udara yangdibutuhkan maksimal 30% dari total kebutuhanudara pembakaran , inefisiensi terjadi ketikavariabel termodinamika dan paramater-parameter seperti fluktuasi kelembaban bahanbaku dan kelembaban udara pembakar.

Menurut Siska (2013) , debit udara yangdigunakan dalam proses gasifikasi berpengaruhterhadap performa reaktor. Pemberian udarayang terlalu sedikit ataupun terlalu banyak akanmenyebabkan efisiensi menurun.

Tabel 1. Komposisi Produk dari berbagaijenis Reaktor Gasifikasi

Tuliskan Judul Makalah (judul singkat)

TipeGasifier

JumlahTar(gr/Nm3)

Sumber

Updraft 10 -150 MilnedanEvans

Downdraft 0,01 - 6 HaslerFluidizedBed

1-30 Han danKim

Sumber : Basu Prabir, Biomass Gasification, Pyrolysis,and TorrefactionPractical Design and Theory

Penelitian ini berupaya untuk memodifikasisistem gasifikasi dengan cara mendesainreaktor gasifier yang dapat menurunkankandungan tar terproduksi.

Menurut Guswendar (2013), denganmempercepat laju gas maka laju gasifikasi akansemakin cepat dan yield produk gasdiproyeksikan akan semakin tinggi.

Menurut Basu P (2013) hal.293 ,menyatakan bahwa semburan kecepatan udaraberkisar antara 22,4 m/detik sampai 31,2m/detik tergantung dengan jumlah bahan bakarbiomassa yang dimasukkan dalam reaktor

METODE PENELITIAN

Penelitian ini menggunakan simulasidinamika fluida dengan batasan analisa 2dimensi dan 2 dimensi aksis simetri.

Tahapan penelitian dimulai denganmenentukan geometri reaktor gasifikasi udraftkonvensional dan memodifikasi geometritersebut sesuai dengan kaidah mekanika fluida

Rumus parameter yang digunakan dalammenentukan dimensi tungku diperoleh dariAlexis T. 2005. Belonio. Rice Husk Gas StoveHand Book

a. Diameter Reaktor Tungku

ܦ = ቀଵ,ଶிோ

ௌீ ோቁ0,5

Dimana:D : diameter reaktor (m)FCR : fuel consumtion rate atau konsumsi

bahan bahar rata-rata (kg/jam)SGR : specific gasification rate of rice husk

atau rata-rata gasifikasi sekam padi (110-210kg/m2. jam)

b. Tinggi Reaktor

H = ܴܵܩ x ℎݎߩܶDimana:H : Tinggi Reactor (m)T : Waktu konsumsi bahan bakar (menit)

ρ rh : density sekam padi (kg/m3)

dari perhitungan didapatkan volume reaktorsebesar 1,3 liter untuk isian maksimum 500 grbahan baku.

Asumsi dalam penelitian ini unsteady statecondition adalah waktu gasifikasi selama 60menit dan diukur perubahannya interval 10menit

(A) (B)Gambar 2. Geometri Reaktor Konvesional (A)dan Modifikasi (B)

Dengan mengasumsikan bahwa volume reaktormenjadi variabel tetap Untuk ReaktorKonvensional Desain Diameter reaktor 7,5 cmdan tinggi 30 cm sedangkan desain reaktormodifikasi pada bagian bawah diameter seksi Idan III adalah 7,5 cm dan seksi II 2 cm sertatinggi seksi I 20 cm, seksi II 7 cm, dan seksi IIIyaitu 5 cmVariabel tetap lain adalah jenis gas yaituKarbon monoksida dan kecepatan udara masuksebesar 30 m/detik

I

II

III


HASIL DAN PEMBAHASAN

Kecepatan Gas dalam Reaktor

Profil Kecepatan pada Gasifikasi 1 menit

Gambar 3. Profil Kecepatan Gas pada waktu1 menit Reaktor Konvesnsional (A) dan Profil

Kecepatan Gas Reaktor Modifikasi (B)

Pada waktu 1 menit rata-rata kecepatan gasberkisar pada 15 m/ detik dengan kecepatan gas

keluar 38 m/detik. Pada waktu ini baik reaktorkonvensional maupun modifikasi masihmenunjukkan pola aliran gas yang sama karenadistribusi gas belum tersebar dengan baikdalam reaktor

Profil Kecepatan pada Gasifikasi 5 menit

Gambar 4. Profil Kecepatan Gas pada waktu 5menit Reaktor Konvesnsional (A) dan Profil


A

B

A

B


Dari hasil simulasi diperlihatkan bahwa sudahmulai terjadi perubahan pola aliran dankecepatan gas kelar dari reaktor gasifikasi.Pada Reaktor konvensional pola aliran gasberada di salah satu sisi reaktor dan kemudiankembali ke top outlet reaktor dengan kecepatangas keluar 52,9 m/detik, sedangkan padareaktor modifikasi pola aliran gas hampirmemenuhi bentuk penampang geometri reaktordan pada seksi II reaktor ada pola aliran siklisyang memenuhi dimensi reaktor sebelumakhirnya keluar lewat top outlet dengankecepatan 55,6 m/detik.

Profil Kecepatan Gasifikasi 10 menit

Gambar 5. Profil Kecepatan Gas pada waktu10 menit Reaktor Konvensional (A) dan Profil


Dari hasil simulasi diperlihatkan bahwa waktu10 menit adalah waktu yang diperlukan reaksigasifikasi dalam volume reaktor yang sudahdidesain untuk menjadi waktu steady statekarena setelah waktu 10 menit tidak terjadiperubahan kecepatan gas baik pada reaktorkonvensional yang hanya mencapai kecepatan52,9 m/detik dan pada reaktor modifikasi dapatmencapai kecepatan 55,7 m/detik.

Dapat dilihat dari hasil simulasi bahwadistribusi kecepatan yang merata terjadi padarektor yang dimodifikasi dimana daerah yangmempunyai empty spot sangat sedikit

Hal ini disebabkan oleh fenomena bentukgeometri orifice yaitu pengecilan danpembesaran luas penampang reaktor yangmengakibatkan pada meningkatnya kecepatanalir gas keluar reaktor

Tekanan Gas dalam Reaktor

Tekanan Reaktor pada waktu 1 menit

B

A

A


Gambar 6. Profil Tekanan dalam Reaktorpada waktu 1 menit Reaktor Konvensional (A)dan Profil Kecepatan Gas Reaktor Modifikasi(B)

Dari hasil simulasi didapatkan bahwan konturtekanan dalam reaktor konvesional danmodifikasi masih sama yaitu 1,04 kPa. Karenaaliran udara masuk dan gas keluar masihsedikit memenuhi volume reaktor.


Gambar 6. Profil Tekanan dalam Reaktor padawaktu 5 menit Reaktor Konvensional (A) danProfil Kecepatan Gas Reaktor Modifikasi (B)

Dari hasil simulasi terlihat bahwa tekananpada reaktor konvensional hanya mencapai1,52 kPa dan tekanan reaktor modifikasisebesar 1,53 kPa. Kenaikan tekanan yangdihasilkan pada reaktor modifikasi didominasipada seksi I reaktor seperti terlihat padagambar hasil simulasi. Ini disebabkan oleh GasHasil pembakaran yang sudah mencapaitemperatur tinggi.

B

A



Gambar 7. Profil Tekanan dalam Reaktor padawaktu 10 menit Reaktor Konvensional (A) danProfil Kecepatan Gas Reaktor Modifikasi (B)

Dari hasil simulasi pada waktu 10 menityang sudah mencapai kondisi steady statedidapatkan bahwa tekanan reaktor tidakberbubah cenderung stagnan dengan profil

kenaikan tekanan yang masih terjadi padabagian bawah reaktor.

Profil Distribusi Perpindahan Panas

Perpindahan Panas dalam Reaktor padawaktu 1 menit

Gambar 8. Profil Perpinadahan Panasdalam Reaktor Modifikasi pada waktu 1 menit

Dalam hasil simulasi ini pada waktu 1 menitseluruh bagian volume reaktor terilhat masihberada dalam temperatur kamar yaitu sekitar300K (30oC) ini dapat disebabkan olehpermulaan penyalaan biomassa belum dapatmembakar biomassa tersebut.

A

A




Dari hasil simulasi terlihat bahwa sudahmulai terjadi perubahan profil perpindahanpanas dalam reaktor. Ada daerah dalam reaktordi seksi I yang meningkat temperaturnyasampai 600 K (328oC) dan di seksi II dan seksiIII mencapai 400 K dan 350 K.



Dari hasil simulasi terlihat bahwa profilperpindahan panas dalam reaktor sudah dalamkeadaan steady state pada waktu reaksi 31menit. Daerah dalam reaktor di seksi I yangmeningkat temperaturnya sampai 600 K(328oC) terjadi pada dan di seksi II dan seksiIII mencapai 400 K dan 350 K.

KESIMPULAN

Adapun kesimpulan pada penelitian iniadalah1. Modifikasi Geometri Reaktor Gasifikasi

dapat meningkatkan kecepatan gas dantekanan dalam Reaktor Gasifikasi tipeUpdraft

2. Kecepatan aliran Gas yang diperoleh darihasil modifikasi dapat dicapai sebesar 55,7m/detik pada kondisi steady state yangdicapai pada waktu 10 menit


3. Tekanan dalam Reaktor dapat meningkatsebesar 1,53 kPa yang dicapai pada waktureaksi 10 detik

4. Profil Perpindahan Panas yang terjadimencapai kondisi steady state pada waktu31 menit dengan temperatur reaktor 600K

DAFTAR PUSTAKA

Basu, Prabir. 2013. Biomass Gasification andPyrolisis: Practical Design. UK: ElsevierHandbook of Gasification Technologies APrimer for Engineers and ScientistsChemical Industries. 2005. Taylor &Francis Group, LLC.

Okuga, Arthur. 2012, Analysis and OperabilityOptimization of an Updraft Gasifier Unit.Eindhoven University of Technology.

Guswendar, 2013, Karakteristik Gasifikasipada Double Gas Outlet pada UpdraftGasifier, Universitas Indonesia

Arianti S, 2013, Uji Kinerja Reaktor GasifikasiSekam Padi Tipe Downdraft PadaBerbagai Variasi Debit Udara

Colomba Di Blasi, 2012, Modeling WoodGasification in a Countercurrent Fixed-Bed Reactor. Wiley InterScience.

De Souza M et.al. 2010, Solid FuelsCombustion and Gasification Modeling,Simulation, and Equipment Operations,CRC Press

Goorts, M .P. 2008. Applying gaschromatography to analyze thecomposition and tar content of the productgas of a biomass gasifier. Tar formation

Vidian, Fajri. 2008. Gasifikasi TempurungKelapa Menggunakan Updraft Gasifierpada Beberapa Variasi Laju Alir UdaraPembakaran. Jurnal Teknik Mesin, vol. 10No. 2

Higman, Cristopher, & van der Burgt, Marteen.2008. Gasification: Second Edition. UK:Elsevier

Alexis T, 2005, Rice Husk Gas Stove HandBook, CRC Press

Zainal. ZA, Ali. R, Quadir. G, Seetharanu.K.N,2002. Experimental Investigation of aDowndraft Biomass Gasifier.

Documents

ANALISIS DINAMIKA FLUIDA PADA MODIFIKASI REAKTOR ...eprints.unsri.ac.id/8313/1/PaperFullPenelitianBudiSantosoAVoER_IX_2017oke.pdfFakultas Teknik Universitas Sriwijaya ANALISIS DINAMIKA