Waktu Pelaksanaan Penelitian
Penelitian dilaksanakan selama bulan April-Agustus 2014 yang dilaksanakan di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem. Untuk skema alur pelaksanaan penelitian dapat dilihat pada Gambar 13.
Gambar 13 Skema alur penelitian Alat dan Bahan
Proses Perancangan
1. Simulasi : alat yang digunakan adalah perangkat komputer dan perangkat lunak kimia yaitu Aspen Plus 23.0 dapat dilihat pada Lampiran 1, pemilihan perangkat lunak Aspen Plus dikarenakan perangkat lunak ini lebih simpel bila dibandingkan dengan perangkat lunak kimia lainnya seperti CAM CAD. Sedangkan untuk bahan yang digunakan adalah karakteristik dari arang sekam padi yaitu ultimate dan proximate.
2. Penggambar desain gasifikasi : alat yang digunakan adalah perangkat komputer dan perangkat lunak AutoCAD 2010. Desain gambar ini disesuaikan berdasarkan perhitungan dimensi reaktor dapat dilihat pada Lampiran 4 dan 5.
Proses Manufaktur
Alat yang digunakan adalah gerinda potong, las listrik, palu, gergaji besi, mesin bubut, bor meja, bor tangan, mata bor 4 mm dan ayakan mess 1 mm, 0.5 mm dan 0.42 mm. Sedangkan bahan yang digunakan adalah plat besi dengan ketebalan 0.3 mm dan 0.5 mm, elektroda, pipa besi berdiamater 0.3 mm, 0.5 mm, pipa elbow, double nepel, plok sok, dan katup kran udara.
Pengujian Reaktor Gasifikasi
Alat yang digunakan adalah reaktor gasifikasi tipe fluidized bed dapat dilihat pada Gambar 14, termokopel kawat tipe CA, Autonic recorder dapat dilihat pada Gambar 15, timbangan digital dan blower tipe RB-400A dengan merk ring blower dapat dilihat pada Gambar 16, serta anemometer dan gelas ukur. Bahan yang digunakan adalah arang sekam padi dapat dilihat pada Gambar 17, dan pasir dapat dilihat Gambar 18.
Gambar 14 Reaktor gasifikasi
Gambar 15 Autonic recorder
Gambar 16 Blower
Gambar 18 Pasir Metode Proses Perancangan
1. Simulasi Aspen Plus 23.0
Simulasi digunakan untuk memodelkan proses gasifikasi yang terjadi di dalam reaktor, yang berfungsi untuk memprediksi suatu reaksi dalam kinerja yang melibatkan proses penguraian komposisi dari bahan yang bersifat non conventional menjadi conventional, selain itu dengan menggunakan Aspen Plus 23.0 dapat menentukan feeding rate dari bahan yang akan digunakan serta dapat menentukan volume dari reaksi yang terjadi sehingga dapat menghasilkan
component mole flow dari setiap gas yang dihasilkan. 1. Reaksi Gasifikasi
Dalam proses gasifikasi dengan tipe reaktor fluidized bed terjadi beberapa reaksi kimia yang bersifat heterogen. Setiap reaksi kimia yang bersifat heterogen mempunyai nilai kinetik, yang meliputi Energi aktivasi (Ea) dan Pre-exponential
(A). Nilai Ea dan A dari setiap reaksi kimia tersebut menjadi batasan dalam proses simulasi menggunakan perangkat lunak Aspen Plus 23.0. Adapun reaksi yang terlibat dalam proses gasifikasi dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4 Reaksi yang terlibat pada proses gasifikasi (Chen et al. 2000)
No. Reaksi A Ea(J kmol-1)
Reaksi Heterogen
1 C(S) + ½ O2 → CO 0.052 6.1 x 107 2 C(S) + CO2 → 2CO 0.0732 1.125 x 108 3 C(S) + H2O→ CO + H2 0.0782 1.15 x 108 2. Deskripsi Model
Untuk proses gasifikasi secara keseluruhan ada beberapa fase yang perlu dipertimbangkan dalam simulasi menggunakan perangkat lunak Aspen Plus 23.0, adapun proses–proses yang terjadi meliputi proses biomass decomposition, volatile reactions, char gasification, dan gas-solidseparation. Fase–fase tersebut terjadi dalam beberapa blok reaktor, yaitu antara lain blok R. Yield, Separator, R.Gibbs, Mixer, dan R. CSTR. Adapun simulation flow-sheet dapat dilihat pada
Lampiran 2. Untuk kondisi operasi yang terjadi dalam proses gasifikasi dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5 Kondisi operasi gasifikasi Biomasa
Temperatur (oC) Tekanan (atm)
Mass flow (kg jam-1)
30 1 2.7 Udara Temperatur (oC) Tekanan (atm)
Total flow (m3 jam-1)
30 1 3.5 R.Yield Temperatur (oC) Tekanan (atm) 350 1 Nilai Yield H2 0.0325 O2 0.1700 N2 0 S 0.0028 H2O 0.0710 C 0.7237 Ash 0.7321 R. Gibbs Temperatur ( o C) 700 Tekanan (atm) 1
Mixer Tekanan (atm) 1
Temperatur (oC) 700
R. CSTR Tekanan (atm) 1
Volume (l) 2
a. Penguraian Biomassa
Pada Aspen Plus 23.0, penguraian biomassa terjadi pada R. Yield. Pada R.Yield tidak diperlukan stoikiometri dari setiap reaksi, dan dapat melakukan perhitungan neraca massa dan energi berdasarkan yield yang diberikan serta dapat mensimulasikan unit yang arus (stream) masuk tak diketahui secara pasti tetapi diketahui komponen hasilnya. Untuk komposisi proximate dan ultimate
dari sekam dapat dilihat pada Tabel 6. b. Reaksi Volatil
Reaksi volatil terjadi pada R. Gibbs, dimana terjadi pemisahan antara volatil dan padatan. R. Gibbs digunakan untuk fase yang mudah menguap, pada R. Gibbs ini tidak perlu diketahui stoikiometrinya, yang perlu diketahui adalah temperatur dan tekanan pada reaktor tersebut. Pada R. Gibbs ini karbon terdiri dari dua jenis yaitu karbon fase gas dan karbon padatan.
c. Gasifikasi
Proses gasifikasi terjadi dalam dalam R. CSTR. Di R. CSTR mengasumsikan pencampuran yang sempurna. Dimana reaksi kinetik dan kesetimbangan dari proses reaksi gasifikasi diperlukan.
d. Pencampuran
Proses pencampuran antara gas, dan udara terjadi di dalam mixer. Proses pencampuran antara padatan dan gas terjadi sebelum masuk kedalam R. CSTR.
e. Pemisahan
Pemisahan antara padatan dan gas yang dihasilkan dilakukan di dalam separator. Sehingga padatan yang tersisa dari proses R. Yield akan direaksi kan kembali kedalam R. Gibbs. Sedangkan gas yang dihasilkan dari R. Yield akan dicampur kedalam mixer.
2. Perhitungan Dimensi Reaktor
ada 3 parameter yang digunakan untuk perhitungan dimensi reaktor yaitu antara lain kecepatan fluidisasi minimum, kecepatan terminal partikel dan kecepatan fluidisasi saat proses gasifikasi. Diameter partikel dari sekam dan pasir dapat mempengaruhi ketiga parameter tersebut. Persamaan yang digunakan untuk perhitungan ketiga parameter tersebut dapat dilihat pada Persamaan 1, 2, 3, dan 5. Adapun langkah - langkah perhitungan dari gasifier
dapat dilihat pada Gambar 19.
Gambar 19 Langkah–langkah perhitungan teknik Proses Manufaktur
1. Plat dengan ketebalan 0.3 mm dipotong sepanjang 35 cm, kemudian dibuat menjadi tabung dengan bagian atas dan bawah dari tabung tersebut terbuka, dengan diameter 20 cm. Sedangkan untuk plat besi dengan ketebalan 0.5 mm dipotong berbentuk lingkaran dengan diameter luar 25 cm dan diameter dalam 0.03 cm, dan pada bagian sisi terdapat 16 lubang baut dengan ukuran 4 mm.
Menghitung tinggi keseluruhan dari gasifier
Persamaan (5)
Menentukan fluidization velocity
Persamaan (3)
Menentukan terminal velocity of the particle
Persamaan (2)
Menentukan minimum fluidization velocity
2. Plat dengan ketebalan 0.3 mm dipotong sepanjang 28.7 cm, dibuat kerucut dengan bagian atas dan bawah terbuka, dengan diameter bagian bawah 6 cm dan bagian atas 20 cm.
3. Pipa besi berdiameter 6 cm dipotong sepanjang 87.7 cm, 50.7 cm, dan 28.18 cm, untuk plat besi yang berdiameter 0.54 cm dipotong sepanjang 10 cm sebanyak 2 bagian. sedangkan untuk plat besi yang berdiameter 0.12 cm dipotong sepanjang 19 cm sebanyak 2 bagian.
4. Las bagian tabung dengan bagian kerucut dengan menyatukan bagian atas yang terbuka dari tabung dengan bagian atas dari kerucut menggunakan las listrik. 5. Sambungkan dengan menggunakan las listrik bagian pipa sepanjang 10 cm
berdiameter 0.54 cm dengan bagian tabung dan kerucut yang telah dilas terlebih dahulu. Pada bagian bawah pipa disambungkan dengan menggunakan pipa elbow dan plok sok kemudian disambungkan dengan pipa yang berdiameter 6 cm dengan panjang 50.7 cm yang telah disambungkan dengan 2 buah pipa besi berdiameter 3.18 cm yang telah terdapat katup kran udara. 6. Sambungkan dengan las pipa besi yang berdiameter 0.12 cm sepanjang 19 cm
dibagian bawah kerucut dan bagian atas tabung, serta sambungkan pipa besi sepanjang 10 cm dengan diameter 0.54 cm pada bagian atas dari tabung tersebut.
7. Pipa besi sepanjang 87.7 cm disambungkan dengan pipa elbow dengan pipa berdiameter 6 cm dengan double nepel kemudian sambungkan kembali dengan pipa berdiameter 3. 18 cm yang tersambung dengan siklon. Untuk keseluruhan dari desain reaktor dapat dilihat pada Gambar 23.
Produser Pengujian Reaktor Gasifikasi
Percobaan dilakukan dengan menggunakan reaktor fluidized bed. Dalam percobaan pengujian reaktor menggunakan dua perlakuan pengujian yaitu menggunakan pasir dan tanpa pasir. Adapun langkah – langkah percobaan sebagai berikut:
A.Pengujian dengan menggunakan pasir :
1. Pasir yang akan digunakan terlebih dahulu dicuci, kemudian setelah dicuci dijemur hingga pasir kering. Pasir yang telah kering kemudian diayak menggunakan 3 ayakan mess yaitu yang berukuran 1 mm, 0.5 mm dan 0.42 mm. Ukuran pasir yang digunakan antara 0.43 – 0.5 mm dengan berat pasir 0.5 kg. Kemudian arang sekam ditimbang seberat 0.3 kg.
2. Pasir dengan berat 0.5 kg dan arang sekam dengan berat 0.3 kg dimasukkan ke dalam reaktor melalui bagian atas, dengan kondisi bagian penutup reaktor dibiarkan terbuka, kemudian udara dari blower diatur melalui kran, dan lubang pipa dari blower ditutup ¾ sehingga yang terbuka hanya 1/4 hingga terjadi fluidisasi, hal ini dilakukan bertujuan mengetahui tinggi dari fluidisasi dan agar tercampur rata antar pasir dan arang sekam
3. Setelah terjadi fluidisasi dan tercampurnya pasir dan arang sekam, blower dimatikan dahulu, kemudian bagian atas dari reaktor ditutup dan dipasang komponen – komponen lainnya seperti siklon. Setelah semua komponen
terpasang, arang sekam sisanya dengan berat 0.9 kg dimasukkan dari bagian samping.
B.Pengujian tanpa menggunakan pasir :
1. Arang sekam ditimbang seberat 1.2 kg, kemudian dipisahkan menjadi dua yaitu 0.3 kg dan 0.9 kg, arang sekam dengan berat 0.3 kg dimasukkan ke dalam reaktor melalui bagian atas.
2. Laju udara dari blower diatur melalui kran hingga terjadi proses fluidisasi. Setelah terjadi proses fluidisasi. Komponen lainnya seperti siklon dipasang. Sisa arang sekam seberat 0.9 kg dimasukkan melalui bagian samping reaktor.
C.Pengujian temperatur dan tekanan :
1. Suhu dari gasifikasi diukur menggunakan termocouple batang dan kawat. Titik pengukuran suhu dari proses gasifikasi yaitu pada zona oksidasi dan bagian luar reaktor. Kemudian pada proses gasifikasi laju aliran udara diukur menggunakan anemometer serta tekanan menggunakan manometer. 2. Untuk memastikan gas yang dihasilkan dari siklon berupa gas mampu bakar
maka dilakukan pemantikan terhadap gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi, dapat dilihat pada Gambar 20.
Gambar 20 Proses pemantikan terhadap gas
