BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.3 Perhitungan Dasar Gasifikasi
2.3.3 Perhitungan Kesetimbangan Energi (Energy Balance)
Pada dasarnya energi yang diinputkan berasal dari entalpi yang dihasilkan oleh bahan bakar pada suhu tertentu ditambah dengan nilai kalor bahan bakar dan
heat dari luar. Sedangkan energi output merupakan jumlah entalpi dari syngas
yang dihasilkan ditambah dengan nilai kalor dari syngas dan heat losses yang dihasilkan selama proses gasifikasi. Skema aliran energi masuk dan keluar dapat dilihat pada Gambar 2.11.
Pada proses pembakaran dilepaskan sejumlah energi yang kemudian diterima oleh bahan bakar untuk melakukan proses pirolisis dan pengeringan. Selain itu energi tersebut juga digunakan pada proses reduksi untuk menghasilkan
syngas. Sedangkan sisanya merupakan energi yang tidak termanfaatkan seperti
pada arang serta energi yang dilepaskan ke lingkungan secara konveksi dan radiasi.
Gambar 2.11 Aliran energi masuk dan keluar gasifier
(Sumber: Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine System:T.B Reed dan A. Das, hal:203)
Parameter – parameter lain yang terkait dengan proses gasifikasi adalah :
Specific Gasification Rate (SGR)
SGR merupakan jumlah bahan bakar yang tergasifikasi melalui sebuah
throat dengan dengan luas penampang tertentu. SGR sering disebut juga dengan
nama hearth load dengan terminologi jumlah bahan bakar yang tergasifikasi. SGR dinyatakan dengan persamaan :
(2.7) SGR = specific gasification rate (kg/m2.h)
mbb = laju aliran massa bahan bakar (kg/h) A = luas penampang throat (m2)
Specific Gas Production Rate (SGPR)
SGPR juga bisa dikatakan sebagai hearth load dengan terminologi jumlah syngas yang dihasilkan melalui luas area throat. Besarnya laju aliran syngas yang melalui
throat akan sangat dipengaruhi oleh jumlah bahan bakar yang masuk.
Perbandingan antara jumlah bahan bakar dengan jumlah syngas yang dihasilkan akan sama dengan perbandingan antara nilai SGR dan SGPR. SGPR dinyatakan dengan persamaan :
(2.8) SGPR = specific gas production rate (m3/m2.h)
Vsyngas = laju aliran syngas (m3/h) A = luas penampang throat (m2)
Entalpi Pembakaran / Heat of Reaction (ΔHc)
Entalpi pembakaran atau dikenal dengan heat of reaction atau kalor yang dihasilkan dari suatu reaksi pembakaran zat kimia. Dalam proses gasifikasi, untuk mengetahui besarnya kalor yang dihasilkan pada pembakaran syngas digunakan persamaan entalpi pembakaran dengan membagi reaksi pembakaran berdasarkan komposisi gas mampu bakar yang terkandung dalam syngas tersebut. Entalpi pembakaran dapat dinyatakan dengan persamaan :
(2.9) ΔHc = entalpi pembakaran (kJ)
ni = mol reaksi masing – masing zat (mol) ΔHf = entalpi pembentukan (kJ/mol)
Dalam menghitung enltalpi pembakaran suatu zat, ada beberapa parameter lain yang penting pada kondisi tertentu. Jika produk dari reaksi tersebut mengalami perubahan suhu maka besar entalpi pembakaran akan dipengaruhi oleh perbedaan suhu (ΔT) awal dan produk serta dengan kalor jenis (cp) dari produk yang mengalami perubahan suhu. Sehingga dalam persamaan akan dinyatakan sebagai berikut :
(2.10) T0 = Suhu awal (K)
T1 = Suhu akhir (K)
Nilai entalpi pembentukan dan kalor jenis suatu zat dapat dilihat dari literatur berdasarkan suhu dan tekanan referensi standar.
2.4 Persamaan Bernoulli
Hukum Bernoulli menjelaskan tentang konsep dasar aliran bahwa peningkatan kecepatan pada suatu aliran fluida (zat cair atau gas), akan mengakibatkan penurunan tekanan pada zat cair atau gas tersebut. Artinya, akan terdapat penurunan energi potensial pada aliran fluida tersebut. Konsep dasar ini berlaku pada fluida aliran termampatkan (compressible flow), juga pada fluida dengan aliran tak-termampatkan (incompressible-flow).
Hukum Bernoulli sebetulnya dapat dikatakan sebagai bentuk khusus dari konsep dalam mekanika fluida secara umum, yang dikenal dalam persamaan Bernoulli. Persamaan Bernoulli menyatakan bahwa pada suatu aliran fluida yang tertutup, banyaknya energi suatu fluida di suatu titik sama dengan dengan banyaknya energi di titik lain. Di awal dikatakan bahwa hukum Bernoulli berlaku pada dua jenis aliran fluida, yaitu termampatkan dan tak-termampatkan. Suatu fluida dengan aliran termampatkan merupakan suatu aliran fluida yang mempunyai karakteristik khusus adanya perubahan kerapatan massa (density) pada sepanjang alirannya. Contoh aliran fluida termampatkan adalah udara atau
gas alam. Adapun fluida dikatakan mempunyai aliran tak-termampatkan adalah fluida yang mempunyai karakteristik tidak terdapat perubahan kerapatan massa (density) pada sepanjang aliran fluida tersebut. Contohnya adalah air, macam-macam minyak, campuran lemak dan larutan basa (emulsi).
Ada tiga energi yang terdapat pada fluida aliran tertutup: 1. Energi potensial
Energi yang dimiliki karena pengaruh ketinggian dan gaya gravitasi serta massa dari fluida itu sendiri.
2. Energi kinetik
Energi yang dimiliki karena pergerakan aliran (kecepatan massa partikel fluida).
3. Energi tekanan
Disebut juga energi aliran atau kerja aliran. Yaitu suatu jumlah kerja yang dibutuhkan untuk memindahkan elemen fluida melalui atau melampaui suatu penampang terhadap perlawanan tekanan.
Kerja = F.l = P.A.l = P.v m = ρ.v v = m/v pv = p.(m/ρ), γ = ρ.g energi aliran = (p.m.g)/γ
Kalau ketiga bentuk energi disatukan
2 2 2 2 mg mv p mgz p v z mg g
Merupakan energi yang dipunyai oleh fluida per satuan panjang beratnya pada saat fluida tersebut bergerak pada suatu system. Karena persamaan bernouli memakai satuan meter maka umumnya energy tersebut disebut dengan “head”. Total head
2
( ) ( ) ( )
2
p v
pressurehead velocityhead z elevation g
Persamaan aliran dua buah titik 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 p v p v z z g g
Persamaan Bernoulli akan diperoleh dari persamaan Euler dan persamaan Hukum II Newton dengan asumsi :
aliran tunak (steady)
aliran tak mampu mampat (incompressible)
aliran tanpa gesekan ( inviscid/non viscous)
tidak ada perpindahan panas atau kalor diantara kedua titik
Hukum Bernoulli dapat dianggap sebagai konsep dasar yang menyatakan kekekalan energi, penjumlahan energi kinetik dan energi potensial pada suatu aliran fluida akan konstan di setiap titik.
2.5 Alat Ukur Orifis
Pada proses pengoperasian alat gasifikasi, komposisi aliran udara sebagai komponen utama oksidasi harus diberikan dengan tepat. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan proses oksidasi yang baik dan efisien. Blower pada sistem gasifikasi updraft berperan untuk memberikan pasokan udara tersebut ke ruang bakar. Untuk mendapatkan komposisi udara oksidasi yang pas, maka pipa pepasok udara dari
blower harus terpasang orifis dan manometer yang tersambung dengan katub
untuk mengatur besar kecilnya hembusan udara. Orifis adalah salah satu alat pengukur tekanan fluida pada suatu sistem pemipaan. Alat ini mempunyai sekat pada sambungannya yang telah diberikan lubang dengan diameter tertentu (biasanya setengah dari diameter pipa).
Pada bagian depan dan belakang sekat orifis terdapat lubang manometer yang berfungsi sebagai tabung pengukur perbedaan fluida yang masuk dan keluar dari sekat orifis. Aliran udara sebelum masuk sekat orifis akan lebih besar daripada udara setelah keluar dari orifis. Pebedaan tersebut akan menghasilkan perbedaan tinggi fluida yang terjadi pada tabung manometer.
Untuk menghitung besar flow rate aliran fluida yang masuk ke dalam pipa, maka diasumsikan alirannya adalah steady-state, densitas fluida konstan, aliran
fluida laminar (tidak ada perubahan elevasi), dan kerugian akibat gesekan diabaikan. Kemudian gunakan persamaan Bernoulli seperti di bawah ini :
Gambar 2.12 Mekanisme kerja orifis
(Sumber : http://vryukbrook.wordpress.com/2010/10/18/orifice-plate/)
Atau
Dengan persamaan kontinuitas
Sehingga
Kemudian didapatkan Q sebesar
Atau
Kemudian masukan nilai Cd yaitu nilai koefisien debit dalam perhitungan ini dapat digunakan Cd = 0,6 sedangkan β = d2/d1 sehingga diperoleh persamaan
Parameter - parameter pada persamaan di atas sudah dapat dicari menggunakan alat orifis sehingga dapat dihitung besar dabit (Q) dengan menggunakan persamaan di atas. Untuk mencari laju aliran (ṁ), maka nilai Q dapat langsung dikalikan dengan rho (ρ) fluida yang mengalir, atau dapat gunakan rumus dibawah ini :
Dengan
Dimana :
Q = laju aliran volumetric (m3/s) Cd = koefisien debit V1 = kecepatan hulu (m/s) ṁ = laju aliran (kg/s) V2 = kecepatan fluida melalui lubang orifis
A1 = luas penampang pipa (m2) A2 = luas lubang orifis (m2)
β = rasio diameter lubang orifis dan pipa d1 = diameter pipa (m)
d2 = diameter lubang orifis (m) P1 = tekanan fluida hulu (Pa) P2 = tekanan fluda hilir (Pa) C = koefisien aliran orifis ρ = densitas fluida (kg/m3)