Halaman Lampiran 1 Gambar Alat Produksi Biodiesel Secara Non-Katalitik
III. METODOLOGI PENELITIAN
3.1 WAKTU DAN TEMPAT PENELITIAN
3.4.2 Simulasi dengan CFD
Simulasi rancangan dilakukan untuk mengetahui apakah rancangan yang dibuat sudah sesuai dengan hasil yang diharapkan. Hasil yang diharapkan adalah obstacle yang dapat menghasilkan luas permukaan kontak antara metanol dan minyak yang lebih besar dibandingkan hasil yang telah dicapai dari penelitian sebelumnya.
Desain yang disimulasikan antara lain simulasi reaktor kolom gelembung dalam keadaan kosong (S) dan reaktor gelembung dengan dua obstacle (DO7). Hasil dari simulasi ini dijadikan sebagai pembanding dari hasil rancangan. Selajutnya dibuat beberapa obstacle jenis nozzle yang kemudian disimulasikan. Obstacle berbentuk nozzle (N) yang memiliki luas permukaan kontak paling tinggi dikombinasikan dengan DO7. Hasil dari kombinasi ini kemudian dibandingkan dengan simulasi reaktor kolom gelembung dengan DO7. Apabila hasil dari kedua kombinasi tersebut tidak ada yang lebih bagus dari hasil simulasi reaktor gelembung dengan dua obstacle, maka dibuat lagi desain alternatif, sampai ditemukan desain dengan hasil simulasi yang lebih bagus dari pembanding. Dalam simulasi mass flow rate yang digunakan adalah 6.67x10-5 kg/detik, ini didasarkan pada mass flow rate yang digunakan pada penelitan sebelumnya yang dilakukan oleh Wulandani (2010). Bahan yang digunakan dalam simulasi adalah metanol dan trigliserida dengan suhu reaktor kolom gelembung 290oC. Sifat bahan metanol dan trigliserida pada pada suhu 290oC dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Sifat bahan metanol dan trigliserida pada pada suhu 290oC No Material Temperatur (oC) Densitas (kg/m3) Viskositas (Pa.s) Tegangan permukaan (N/m) 1 Metanol 290 0.693 1.873E-05[1] 2 Trigliserida 290 807.8[2] 1.32 E-05[3] 0.01628[4]
Sumber: 1. Teske et al. (2006) 2. Coupland et al. (1997) 3. Rabelo et al. (2000) 4. Chumpitaz et al. (1999)
Simulasi diawali dengan pembuatan geometri dari reaktor kolom gelembung dengan menggunakan GAMBIT yang kemudian dilanjutkan dengan proses meshing. Setelah diperoleh bentuk geometri yang sesuai dengan kualitas mesh yang bagus (worst element <0.9), barulah dilakukan simulasi reaktor dengan menggunakan software ANSYS FLUENT. Untuk lebih jelas, prosedur simulasi dapat dilihat pada Gambar 3.
11 Gambar 3. Diagram alir prosedur simulasi
Pembuatan geometri dan meshing reaktor kolom gelembung
Pengecekan mesh
Mesh baik (<0.9)?
Pendefinisian kondisi batas geometri reaktor kolom gelembung (inlet, outlet, minyak, dan metanol)
Mesh baik (<0.9)?
Ya
Penentuan kondisi batas (boundary condition) Proses numerik Iterasi error? Mulai Selesai Koreksi data Tidak Tidak Ya Tidak
GAMBIT
ANSYS FLUENT
12
3.4.3
Pembuatan dan Pengujian Obstacle
Obstacle yang dibuat adalah desain obstacle yang memiliki hasil simulasi terbaik dari semua desain yang dirancang serta obstacle DO7 sebagai pembanding. Obstacle DO7 yang digunakan sebagai pembanding dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Obstacle DO7 yang digunakan sebagai pembanding
Pengujian dilakukan untuk mengetahui kesesuaian hasil simulasi dengan perfoma sebenarnya dari obstacle yang dirancang. Pengujian dilakukan dengan menggunakan alat produksi biodiesel non-katalitik. Parameter yang digunakan dalam pengujian obstacle dapat dilhat pada Tabel 2.
Tabel 2. Parameter yang digunakan dalam proses produksi biodiesel
No Parameter Nilai
1 Uap metanol a. suhu (oC)
b. Laju aliran (g/menit)
290 2.8
2 Minyak Sawit (g) 250
3 Suhu reaksi (oC) 290
4 Tekanan reaksi (MPa) 0.1
5 Interval waktu pengambilan sampel (jam) 5
Seperti yang terlihat pada Tabel 2, rata-rata laju metanol yang dalam pengujian alat adalah 2.8 g/menit atau 4.67x10-5 kg/detik (Lampiran 3) sedangkan pada saat simulasi digunakan laju metanol 4 g/menit atau 6.6x10-5 kg/detik. Penelitian ini hanya menyesuaikan tren produksi biodiesel antara simulasi dengan proses produksi yang sebenarnya. Skema produksi biodiesel non-katalitik metode Superheated Methanol Vapor (SMV) dapat dilihat pada Gambar 5.
13 Tahap-tahap yang dilakukan dalam proses produksi biodiesel secara non-katalitik adalah sebagai berikut:
1) Persiapan. Pemanas metanol dinyalakan dengan mengatur voltase pengatur tegangan CT1=CT2=CT3= 60V, CT4=70V dan pemanas reaktor (minyak) dengan voltase 50V. Katup N2 dibuka untuk mengalirkan nitrogen ke dalam reaktor. pipa plastik pada tabung sampel (vacuum erlenmeyer) dimasukkan ke dalam air, untuk mengetahui ada tidaknya aliran nitrogen. Aliran nitrogen ke dalam reaktor harus di pastikan terlebih dahulu sebelum menuangkan minyak ke dalam reaktor. Hal ini dilakukan agar minyak tidak masuk ke dalam nozzle metanol super-terpanaskan. Metanol dialirkan ke dalam reaktor dengan menggunakan pompa metanol, setelah ada tetesan metanol pada tabung sampel maka katup nitrogen ditutup.
2) Memasukkan minyak. Gelas kimia kosong yang akan digunakan ditimbang, kemudian dilakukan penimbangan minyak (250 g). Minyak dimasukkan ke dalam reaktor melalui pelevel minyak. Minyak yang tersisa di dalam gelas ditimbang kembali.
3) Menyiapkan botol sampel. Botol sampel yang disiapkan adalah 10 botol dan masing- masing botol ditimbang massanya.
4) Mulai pengamatan. Begitu suhu mencapai 285oC, cairan yang ada di dalam tabung sampel dikeluarkan terlebih dahulu, kemudian tabung dipasang kembali. Timer dinyalakan tepat ketika suhu reaktor mencapai 290oC. Berat metanol dicatat setiap 10 menit dan setiap 30 menit dilakukan pengambilan sampel. Pengamatan ini berlangsung selama 5 jam sampai diperoleh 10 sampel.
5) Selesai percobaan. Katup gas nitrogen dibuka, kemudian pompa metanol dimatikan dan voltase heater dikondisikan ke 20 volt, kecuali CT1=60V=100oC.
6) Pengeluaran sisa metanol dan minyak. Dua wadah kosong ditimbang untuk menampung metanol dan minyak bekas. Ketika suhu reaktor mencapai 200oC, metanol dikeluarkan dari tabung sampel dan katup V6 dibuka untuk membuang minyak dari reaktor. Sisa metanol ditimbang, lalu buang ke dalam jerigen metanol bekas. Selanjutnya ditunggu selama 20 menit sampai tidak ada lagi minyak yang menetes dari dalam reaktor. Setelah tidak ada lagi minyak yang menetes, V5 dan V6 ditutup. Minyak sisa reaksi ditimbang lalu buang ke jerigen minyak bekas.
7) Pencucian reaktor. Katup V5 dan V6 harus dipastikan dalam kondisi tertutup. Heater metanol dinyalakan dengan CT1=60V dengan suhu lebih besar dari 70oC, CT2=30V, CT3=CT4=20V. Apabila belum ada metanol yang menetes ke dalam tabung sampel, maka dinyalakan pemanas reaktor. Pencucian dilakukan kurang lebih selama 30 menit. Lalu metanol dan minyak dikeluarkan dari dalam reaktor, dengan membuka katup V6.
14 Gambar 5. Skema produksi biodiesel non-katalitik metode Superheated Methanol Vapor (SMV)
3.5 PENGAMBILAN DATA
3.5.1 Simulasi
Parameter yang berpengaruh terhadap laju reaksi pembentukan biodiesel dan dianalisis antara lain:
a. Luas permukaan kontak (contact surface area)
Yaitu luas permukaan kontak antara metanol dengan minyak di dalam reaktor kolom gelembung. Langkah-langkah yang digunakan dalam menentukan luas permukaan kontak dapat dilihat pada Lampiran 4.
b. Gas holdup
Yaitu volume metanol yang berada di dalam minyak. Langkah-langkah yang digunakan untuk menentukan gas holdup dapat dilihat pada Lampiran 5.
c. Residence time
Yaitu waktu yang dibutuhkan oleh gelembung metanol sejak mulai terbentuk sampai pecah ke permukaan minyak. Langkah-langkah yang digunakan untuk menentukan residence time dapat dilihat pada Lampiran 6.
