TINJAUAN PUSTAKA
2.8. Deskripsi Proses
2.8.1. Penanganan umpan (Feed Handling)
Cangkang kelapa sawit (CKS) disuplai ke pabrik dengan menggunakan truk dan CKS disimpan ruang Land filled (T-101). CKS yang diterima diasumsikan memiliki kandungan air 12% yang kemudian diangkut menggunakan traktor menuju
elevator (C-101). Kemudian CKS dikirim ke bin atau corong tuang (T-102).
Selanjutnya dengan menggunakan screw Conveyor (C-102), CKS dikirim ke bejana
gasifier.
2.8.2. Gasifikasi dan Reforming
Dari bagian penanganan umpan, CKS masuk kedalam unit gasifier (R-201). Sedangkan hasil pembakaran yang berupa char dikirim ke char combustor (R-202). Gasifier (R-201) yang digunakan dalam analisis ini adalah gasifier dengan
pemanasan tidak langsung yang bertekanan rendah. Gasifier ini didesain sebanyak 2 buah dengan struktur yang identik. Suhu operasi diatur pada 870°C dan tekanan operasi 23 psia (1,565 atm).
Panas untuk reaksi-reaksi yang terjadi pada gasifier disuplai dengan
mensirkulasikan media pemanas (olivine) yang dibakar bersama char di dalam char
combustor (R-201). Dalam kasus ini, mediumnya adalah olivin sintetik, yang terdiri
atas magnesium silikat yang dikalsinasi (Enstatite [MgSiO3], Forsterite [Mg2SiO3], dan Hematite [Fe2O3]).
Sejumlah kecil MgO (aliran 11) harus ditambahkan bersama olivine (aliran 12) untuk mencegah pembentukan aglomerasi (penggumpalan seperti kaca) yang dihasilkan dari interaksi kalium dalam CKS dengan komponen silika. Tanpa penambahan MgO, kalium akan membentuk gelas/kaca (K2SiO4) dengan silika dalam sistem tersebut. K2SiO4 mempunyai titik lebur yang rendah (930 oF) dan terbentuknya K2SiO4 tersebut akan menyebabkan media olivine menjadi lengket, terjadi aglomerasi, dan cepat menjadi defluidisasi. Kadar abu dalam umpan diasumsikan terdiri atas 0,2 % berat kalium. MgO ditambahkan sebanyak 2 kali aliran mol dari kalium.
Tabel 2.6 Parameter Pengoperasian, Hasil dan Komposisi Gas
Variabel Gasifier Nilai
Tipe Gasifier BCL (Battelle Columbus Laboratory)
Temperatur Operasi 1598 oF (870 oC)
Tekanan Operasi 23 psia (1,6 bar)
Steam/umpan CKS 0.4 lb/lb CKS (basis kering)
Olivine yang di-recycle 27 lb/lb CKS (basis kering)
Komposisi gas sintesa % mol (kering)
H2 57,995 CO2 11,462 CO 15,514 H2O 0 CH4 13,921 C2H4 0,492 C2H6 0,459 C3H8 0,060 C3H6 0,094 C4H10 0,002 C4H8 0,002 H2S 0
Gas hasil sintesa 0,04 lb-mol gas kering/lb CKS (basis kering)
Char yang dihasilkan 0,470134526 lb/lb CKS (basis kering) Sumber : Technical Report NREL/TP-510-37408 May 2005
Catatan : Efisiensi gasifier didefenisikan sebagai energi pembakaran dari gas sintesis dibagi dengan energi pembakaran dari biomassa.
Steam bertekanan rendah (aliran 3) digunakan sebagai media gasifikasi yang diperoleh dari siklus steam. Perbandingan steam untuk CKS adalah 0,4 lb steam/lb CKS kering. Suhu char combustor di set pada 1800 oF (982,22 oC). Laju alir sirkulasi
olivine (aliran 9) adalah 27 lb olivine/lb CKS kering. Olivine segar (aliran12)
ditetapkan pada laju 0,11% dari laju sirkulasi untuk menutupi kehilangan Olivine dari cyclone. Udara pembakaran dalam simulasi ini adalah 12% udara berlebih (aliran 6 dan 7).
Pemisahan partikel dilakukan melalui cyclone separator (S-201, S-202, dan S-203). Mayoritas dari olivine dan char (99,9% dari keduanya) dipisahkan dalam
cyclone (S-202) dan selanjutnya dikirim ke char combustor (R-202). Secondary gasifier cyclone (S-202) memisahkan 90% residu olivine dan char yang terbawa oleh
S-201. Combustor cyclone (S-203) memisahkan olivine (99,9%) dari pembakaran gas dan olivine akan dikirim kembali menuju gasifier (R-201). Abu dan banyak partikel pasir yang dipindahkan dikirim menuju tempat pengolahan limbah.
Gas dari secondary gasifier cyclone (S-202) akan dikirim ke unit reformer (R-203). Dalam reaktor unggun fluidisasi mendidih (bubbling fluidized bed reactor) ini, komponen CH4, C2H4, C2H6, C3H8, C3H6, C4H10, dan C4H8 akan dikonversi menjadi CO dan H2. Dalam simulasi ini, persen konversi dari tiap-tiap komponen akan di set dengan jumlah komponen yang dapat dilihat pada Tabel 2.7 tentang performa rancangan dari reformer yang telah di verifikasi secara eksperimen dari data yang dikumpulkan pada NREL’s bench-scale thermo-catalytic conversion
system dan NREL’s Thermochemical Pilot Process Development Unit (TCPDU).
Tabel 2.7 : Kinerja rancangan dari Reformer Komponen % konversi menjadi CO & H2
CH4 20% C2H4 50% C2H6 90% C3H8 60% C3H6 60% C4H10 70% C4H8 70% (Phillips, dkk, 2004)
Dalam rancangan ini, gas yang masuk kedalam reformer (R-203) adalah pada suhu gasifier (870 oC) dan suhu gas keluaran reformer adalah 1383 oF (750,56 oC). Sebelum menuju tahapan pembersihan, gas panas akan didinginkan sampai 300 oF (148,9 oC) dengan alat penukar panas (H-201 dan H-202) yang terintegrasi dalam siklus steam.
Setelah pendinginan langsung dari gas sintesis pada suhu 300 oF, dilanjutkan dengan penambahan pendinginan yang dilakukan melalui Water Scrubbing (M-301 dan M-302). Scrubber juga menghilangkan impuritis seperti partikulat dan residu. Sistem scrubbing terdiri dari Venturi Scrubber 302) dan Quench Chamber (M-301). Quench water didinginkan melalui Heat Exchanger (H-301) dan disirkulasi kembali menuju Venturi Scrubber (M-302) dan Quench Chamber (M-301). Laju alir
quench water ditentukan dengan menyesuaikan laju sirkulasi suhu keluar dari air
pendingin Heat Exchanger (H-301) yaitu sebesar 110 oF (43,33 oC). Kelebihan water
scrubber akan dikirim menuju fasilitas pengolahan air limbah. Jumlah air untuk scrubber sekitar 2 galon per menit dari kelebihan air untuk pabrik ukuran 2000 ton
material kering per hari (aliran 20). Untuk tujuan perancangan, kadar air dari aliran lumpur (sludge) diatur pada 50% berat (aliran 29). Suhu pendinginan pada tahap pembersihan gas sintesis adalah pada 140oF. Gas sintesis kemudian dimampatkan atau dikompresi menggunakan 5 (lima) kompresor sentrifugal dengan pendingin interstage (K-301A/B/C/D/E, S-301, S-302A/B/C/D/E, S-303, H-302A/B/C/D/E, dan H-303). Kompresor yang dimodelkan masing-masing bagian mempunyai efisiensi politropik 78% dan dengan suhu intercooler 140 oF.
2.8.4. Reforming, Shift, dan PSA
Pada proses ini terdapat jumlah yang sangat besar dari CO, CH4 dan
hidrokarbon lainnya dalam menghasilkan gas sintesis, sehingga komponen ini harus mengalami konversi melalui mekanisme sistem reaksi reforming (CnHm + H2O
(n+m/2)H2 + nCO) dan reaksi shift conversion (CO + H2O CO2 +H2). Reforming adalah reaksi utama dalam steam reformer (R-401). Reaksi reforming adalah sangat endotermis dan diuapkan dengan suhu yang tinggi dan pada tekanan rendah.
Sedangan proses shift reaction (R-402 dan R-403) terjadi pada unit Reaktor High
Temperature Shift (HTS) dan Low Temperature Shift (LTS), dimana reaksi berjalan
eksotermis dan biasanya beroperasi pada suhu rendah dan pada perbandingan steam tinggi. Steam reformer (R-401) terdiri atas tabung yang diisi dengan katalis, yang dikelilingi oleh suatu tungku yang menyediakan kebutuhan panas untuk reaksi endotermis. Komponen utama dari tungku perapian (furnace) ini meliputi suatu sistem pembakaran bahan bakar/udara yaitu suatu bagian pemindahan panas secara
radian dan konveksi. Bagian radian menyuplai panas ke pipa katalis melalui
pembakaran dengan campuran bahan bakar dan bagian konveksi memulihkan panas melalui bagian dalam penyegaran gas buang (H-401 dan H-404). Secara umum, gas umpan mengalir melalui bagian atas pipa katalis tapi reformer furnace dapat melalui sisi, teras atas atau bagian bawah. (Spath, Dayton, 2003).
Steam reformer secara umum beroperasi pada 1500 – 1600 oF dan diantara 218 – 435 psia menggunakan katalis nikel. Dalam analisis ini steam reformer disimulasikan sebagai suatu reaktor kesetimbangan yang beroperasi pada suhu 1562 o
F, tekanan inlet 435 psia, dan rasio steam pada karbon adalah 3 mol H2O/mol C (Leiby, 1994). Steam untuk reformer (aliran 31) diperoleh dari siklus steam.
Pressure drop pada steam reformer adalah 30 psi. Reformer dibakar oleh PSA offgas
(aliran 46) dan sejumlah kecil gas alam (aliran 46) ditambahkan untuk kontrol pembakaran. Jumlah gas alam yang ditambahkan adalah sekitar 10% dari nilai
pemanasan (heating value) PSA offgas. Selanjutnya reaktor HTS dan LTS mengubah mayoritas dari CO yang direaksikan dengan H2O, menghasilkan CO2 dan H2 melalui reaksi water-gas shift. Gas keluaran steam reformer pertama kali didinginkan sampai 662 oF (H-402). Rentang operasi dari reaktor HTS secara umum 570–840 oF. HTS (R-402) dan LTS (R-403) dimodelkan sebagai reaktor kesetimbangan fixed bed (Leiby, 1994). Gas keluaran reaktor HTS didinginkan sampai 392 oF (405 dan H-406) sebelum memasuki reaktor LTS. Reaktor LTS secara umum beroperasi diantara 350–515 oF dan sering juga beroperasi pada kondisi kondensasi. Katalis HTS yang digunakan adalah besi oksida, sedangkan sedangkan katalis LTS menggunakan tembaga oksida, dimana paling sering dicampur dengan zink oksida (Spath, 2003).
Pendinginan produk dari proses shift conversion dan pengurangan jumlah kadar airnya dilakukan menggunakan knock out drum (S-401 dan S-402) sebelum menuju unit PSA. Oleh karena itu, rancangan untuk analisis ini menggunakan alat penukar panas yang terintegrasi oleh siklus steam untuk mendinginkan gas hingga mencapai titik embunnya (dew point). Aliran yang lebih lanjut didinginkan oleh
air-cooled heat exchanger (H-408) sampai 140 oF. Cooling water heat exchanger (H-409) adalah digunakan untuk mengurangi aliran suhu menjadi 110 oF.
terdiri atas CO2 serta komponen kimia yang tidak bereaksi seperti CO, CH4 dan hidrokarbon lainnya. Kemurian hidrogen yang dihasilkan dari unit PSA dapat lebih besar mencapai 99,99%. Berdasarkan informasi dari industri penghasil gas, aliran gas yang diubah harus berisi sedikitnya 70% mol hidrogen sebelum itu dapat diproses secara ekonomis untuk dibersihkan didalam unit PSA (Mann, 1995). Untuk 70% mol umpan PSA hidrogen, laju pemulihan hidrogen umumnya sekitar 85% dengan
kemurnian produk 99,99% mol. Sebelum menuju unit PSA, rangkaian cairan (air dan hidrokarbon yang dikondensasi) harus dipindahkan karena secara permanen dapat merusak adsorben, dimana adsorben terdiri atas campuran karbon aktif dan zeolit. Efisiensi PSA juga dipengaruhi oleh suhu adsorben. Ketidakmurnian adsorbat akan berkurang pada suhu tinggi disebabkan karena kapasitas kesetimbangan dari pengayakan molekul akan berkurang dengan kenaikan suhu.
Perbandingan tekanan minimum diantara gas umpan dan pemurnian dari PSA adalah sekitar 4:1. Tekanan mutlak dari gas umpan dan pemurniannya juga
merupakan hal yang penting dalam hubungannya untuk menghasilkan gas hidrogen. Tekanan umpan yang optimum untuk aplikasi penyulingan adalah sekitar 215 – 415 psia. Tekanan gas pemurnian pada umumnya adalah sekitar 17 – 20 psia untuk memperoleh produksi yang tinggi dari hidrogen. Perolehan hidrogen biasanya adalah 85 – 90% pada kondisi ini dan berkurang sampai 60 – 80% pada tekanan gas
pemurnian 55 – 95 psia (Leiby, 1994). Dalam rancangan untuk analisis ini, tekanan gas umpan PSA adalah 360 psia dan tekanan off-gas adalah 20 psia.