Bab III Rancangan Penelitian

Bab III Rancangan Penelitian

III.1 Rencana Pelaksanaan Penelitian

Komponen utama penyusun gas produser adalah CO, H2, CO2, CH4, H2O, N2, dan pengotor, yang meliputi komponen organik (tar) dan anorganik (H2S, HCl, NH3, logam alkali). Keberadaan pengotor, khususnya tar sangat membatasi pemanfaatan gas produser. Skema penelitian dan cara untuk menghilangkan tar di dalam gas produser ditampilakan pada Gambar III.1.

Gambar III.1 Skema penelitian yang berkaitan dengan proses gasifikasi dan

penyediaan gas produser.

Penelitian ini bertitik berat pada pengembangan prosedur operasi RABB dalam mengkonversikan tar secara hemat energi dengan tetap menjaga nilai kalor gas produser yang tinggi. Skema pelaksanaan penelitian untuk memberikan gambaran mengenai keterkaitan antar tahap disajikan dalam Gambar III.2.

Penelitian

Pemodelan dan Simulasi RABB untuk mengkonversikan tar

Simulasi RABB tanpa reaksi

Pembuatan RABB tanpa reaksi

Run Simulasi Pengujian prosedur

operasi Konfigurasi panas di reaktor Konfigurasi panas di reaktor Validasi - Konfigurasi reaktor - Kondisi operasi - sifat-sifat fisik

Simulasi RABB dengan reaksi Run Simulasi - Konfigurasi panas di reaktor - Konversi tar - LHV gas produk Analisis hasil sesuai Tidak sesuai

Simulasi SSO dengan reaksi Run Simulasi - Konfigurasi panas di reaktor - Konversi tar - LHV gas produk Metode Operasi RABB

Pengembangan model RABB tanpa reaksi ke RABB dengan reaksi

Hasil Kurang bagus Bagus Sendiri Bersama Rizaldi dan Patria (2007)

Gambar III.2 Skema pelaksanaan penelitian.

Analisis hasil yang dilakukan adalah membandingkan hasil yang diperoleh dari simulasi reaktor unggun tetap aliran bolak-balik (RABB) dengan simulasi reaktor unggun tetap satu arah (SSO), sehingga hasil yang diperoleh dapat

III.2 Metodologi Penelitian

III.2.1 Asumsi Model yang Digunakan

Profil temperatur dan konsentrasi di dalam aliran gas, inert dan katalis dimodelkan sebagai satu dimensi reaktor tak tunak. Model menggunakan beberapa asumsi, yaitu :

a. Penelitian ini hanya mengembangkan dan menyelidiki profil temperatur ke arah aksial (one-dimensional model) yang dianggap paling berpengaruh terhadap performance reaktor secara keseluruhan. Gradien temperatur dan konsentrasi ke arah radial diabaikan (Matros dkk., 1996).

b. Pressure drop sangat kecil / diabaikan. ΔP relatif = 3.78% (< 5%).

III.2.2 Pemodelan dan Simulasi RABB Tanpa Reaksi Kimia

Dalam tahap ini, pemodelan dan simulasi yang digunakan hanya melibatkan persamaan neraca energi. Persamaan neraca massa tidak dilibatkan, karena di dalam percobaan laboratorium gas yang digunakan adalah udara, sehingga tidak ada reaksi selama percobaan berlangsung. Hal ini berarti tidak ada perubahan jumlah dan komposisi gas yang masuk dan keluar reaktor.

Tujuan dari percobaan ini adalah untuk memvalidasi model persamaan yang digunakan dengan hasil percobaan RABB tanpa reaksi kimia yang telah dilakukan di laboratorium, sehingga model yang telah divalidasi dapat dikembangkan untuk pembuatan model dan simulasi RABB untuk mengkonversikan tar dalam gas produser.

III.2.2.1 Persamaan dan Kondisi Operasi yang Digunakan

Persamaan neraca energi yang digunakan adalah model pseudo-homogeneous satu dimensi. Reaksi kimia tidak terjadi dalam proses ini, maka laju reaksi kimia (W(x,t)) dan panas hasil reaksi (-ΔH) di dalam Persamaan II.1 diganti dengan panas dari heater (Qheater).

Kondisi awal RABB pada t = 0 didapatkan dengan cara:

• Menggunakan temperatur ruangan serta nilainya seragam di sepanjang reaktor.

• Menjalankan simulasi hingga diperoleh kondisi SSO. • Kondisi SSO digunakan sebagai kondisi awal untuk RABB.

Sedangkan kondisi batasnya pada x = 0 dan x = L menggunakan tipe Danckwerts (lihat Persamaan III.3 dan III.4 pada Tabel III.1).

Persamaan neraca energi RABB dengan model pseudo-homogeneous satu dimensi dapat dilihat di Tabel III.1.

Tabel III.1. Model pseudo-homogeneous satu dimensi untuk simulasi RABB

tanpa reaksi kimia.

1 2 2

)

(

)

(

Q

Q

l

T

t

U

c

l

T

t

T

c

c

o _{g heater} g ef s s s g g g

∂

+

−

∂

−

∂

∂

=

∂

∂

+

ε

ρ

λ

ρ

ρ

ε

(III.1) 0 2 1 2 1 . 1 ) / ln( ) .( . . 2 h r K r r T T L Q udara + − Π = (III.2) u t t

U( )=κ( ) (κbernilai {+1} untuk arah kanan dan {–1} untuk arah

ke kiri) (III.3) Kondisi Batas : x t x 2 ) ( 1−

κ

= dan

(

)

2

)

(

1

in o g g ef

uc

T

T

t

l

T

₌

+

₋

∂

∂

κ

_ρ

λ

untuk l = 0 (III.4)

)

(

2

)

(

1

in o g g ef

uc

T

T

t

l

T

₌

₋

−

₋

∂

∂

κ

_ρ

λ

untuk l = L (III.5)

Catatan : arti simbol lihat di Daftar Notasi.

Model reaktor terdiri dari 3 zona yaitu; zona inert, zona pemanas, dan zona inert. Panjang zona inert di sebelah kiri sama dengan panjang zona inert di sebelah kanan dari zona pemanas. Panas yang dibangkitkan di zona pemanas sebesar 1500 watt dengan tetap menjaga suhu di zona pemanas 150oC. Panas yang hilang ke lingkungan hanya terjadi di zona inert. Laju kehilangan panas ke lingkungan dimodelkan oleh Persamaan III.2. Kondisi operasi dan parameter reaksi untuk menyelesaikan model dapat dilihat pada Tabel III.2.

Tabel III.2 Kondisi operasi dan parameter reaksi untuk simulasi RABB tanpa

reaksi kimia.

Keterangan Sifat-Sifat Fisik Nilai Satuan

Cp 920 J.kg-1.K-1

K 5 W.m-1.K-1

ρ 3500 kg.m-3

Material inert Dolomit

d 0.003 mm

Cp 460,8 J.kg-1.K-1

K 17 W.m-1.K-1

Bahan Pemanas Stainess steel

ρ 7800 kg.m-3

Cp 1000 J.kg-1.K-1

K 0.04 W.m-1.K-1

Gas Udara

ρ 0.7 kg.m-3

Κοndisi dan Variabel Operasi Simbol Nilai Satuan

Switching time ST 150 menit

Temperatur umpan Τu 30

o_C

Temperatur pemanas ΤΗ 150 o_C

Waktu tinggal τ 0.057 detik

Catatan : arti simbol lihat di Daftar Notasi.

Data lengkap dimensi reaktor dapat dilihat pada Tabel III.3, sedangkan skema reaktor ditunjukkan pada Gambar III.3.

Gambar III.3 Rancangan reaktor dan bagian-bagiannya (z1 – z11 merupakan

Tabel III.3 Dimensi reaktor.

III.2.2.2 Prosedur Simulasi

Langkah-langkah prosedur simulasi yang dilakukan sebagai berikut:

1. Data-data propertis, kondisi, dan variabel operasi dimasukkan ke dalam program simulasi.

2. Menetapkan tebakan awal (menggunakan temperatur ruangan (30oC) serta nilainya seragam di sepanjang reaktor) dan kondisi batas (Persamaan III.4 dan III.5).

3. Menetapkan variabel switching time.

4. Menjalankan program simulasi reaktor unggun tetap satu arah sampai mencapai kondisi steady state (SSO). Persamaan yang digunakan adalah Persamaan III.1 dengan U(t) = u.

5. Hasil yang didapatkan berupa profil temperatur di sepanjang reaktor digunakan sebagai tebakan awal untuk menjalankan simulasi reaktor unggun tetap bolak-balik (RABB). Persamaan matematik yang digunakan adalah Persamaan III.1 dengan U(t) = κ*u.

6. Menjalankan program simulasi untuk RABB sampai mencapai keadaan osilasi yang stabil.

Dalam bentuk blok diagram, prosedur simulasi yang akan dilakukan dapat dilihat pada Gambar III.4.

Diameter reactor 27 mm

Panjang total reactor 790 mm

Panjang zona pemanas 150 mm

Material reactor Stainless Steel SS 304 L Zona inert

Panjang per segmen inert 105 mm

Jumlah segmen 6 (3 kiri dan 3 kanan)

Material unggun inert Dolomit Diameter rata-rata partikel unggun 10 mm

Start

Input:

-Data properties material inert -Laju alir gas

-Temperatur pemanas -Temperatur umpan -Boundary Condition -Tebakan awal Variabel: -Switching time

Model matematik dari persamaan 3.1 dengan U(t) = u

Model matematik dari persamaan 3.1 dengan U(t) = (t).u

Profile temperature

Selesai Run simulasi sampai

steady state

Initial value untuk RABB

Run simulasi RABB

III.2.3 Pemodelan dan Simulasi RABB Konversi Tar

Untuk mempelajari kelayakan dari sebuah RABB untuk mengkonversi tar dalam gas produser, sebuah model reaktor dibutuhkan untuk mempelajari sifat–sifatnya yang berperilaku secara dinamik. Model reaktor yang digunakan identik dengan RABB tanpa reaksi kimia. Namun, zona pemanas di RABB tanpa reaksi kimia diganti dengan zona katalis. Reaksi yang terjadi di dalam RABB untuk mengkonversikan tar dimodelkan sebagai berikut:

C7H8 + 7 H2O 7 CO + 11 H2 (III.6)

CO + ½ O2 CO2 (III.7)

H2 + ½ O2 H2O (III.8)

Sedangkan model untuk laju reaksi diperoleh dari peneliti terdahulu. Laju reaksi

steam reforming toluene, pembakaran CO dan pembakaran H2 ditunjukkan oleh Persamaan III.9–III.11. O H H C H C H C H C

C

C

T

R

E

k

r

2 8 7 8 7 8 7 8 7 0,

.

exp

.

⎟⎟

.

.

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

−

(Zimont, 1969) (III.9) 5 . 0 5 . 0 , 0

.

exp

.

.

CO

.

O2

.

H2O CO CO CO

C

C

C

T

R

E

k

r

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛−

=

−

(Howard, 1972) (III.10) 85 . 0 42 , 1 , 0 2 2 2 2 2

.

exp

.

.

O

.

H H H H

C

C

T

R

E

k

r

_⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

−

(Hautman, 1981) (III.11)

Reaksi steam reforming toluene, pembakaran CO dan pembakaran H2 terjadi pada zona katalis. Pada zona inert hanya terjadi reaksi pembakaran gas CO dan H2. Reaksi pembakaran ini dapat terjadi karena konsentrasi gas CO dan H2 di dalam zona inert di atas batas flammability, yaitu 17,4% dan 14,9% volume campuran gas. Sedangkan batas flammability gas CO dan H2 adalah 12,5% dan 4% volume campuran gas. Komposisi umpan gas produser ditampilkan pada Tabel III.4.

Tabel III.4 Komposisi umpan gas produser dalam fraksi mol.

Gas Produser Fraksi mol (%)

CO 17,4 CO2 12,8 H2 14,9 N2 44,7 H2O 10,1 Tar (C7H8) 0,1

Sumber: Hasil gasifikasi sekam padi oleh Worasuwannarak (2007).

III.2.3.1 Persamaan dan Kondisi Operasi yang Digunakan

Model persamaan yang digunakan di dalam simulasi RABB untuk mengkonversikan tar mengacu kepada model sebelumnya, yaitu model

pseudo-homogeneous RABB satu dimensi. Kondisi awal RABB pada t = 0 didapatkan

dengan cara:

• Menggunakan temperatur dan konsentrasi gas produser umpan serta nilainya seragam di sepanjang reaktor.

• Menjalankan simulasi hingga diperoleh kondisi SSO. • Kondisi SSO digunakan sebagai kondisi awal untuk RABB.

Sedangkan kondisi batasnya pada x = 0 dan x =L menggunakan tipe Danckwerts (lihat Persamaan III.19 dan III.20 pada Tabel III.5).

Persamaan neraca massa (Persamaan III.13-III.17) dan energi (Persamaan III.12) RABB untuk mengkonversikan tar dengan model pseudo-homogeneous satu dimensi dapat dilihat di Tabel III.5.

Table III.5 Model pseudo-homogeneous RABB untuk menkonversikan tar. ₊ ∂ ∂ − ∂ ∂ = ∂ ∂ + x T t U c x T t T c c g o g ef s s s g g g ) ( ) ( ₂ 2 ρ λ ρ ε ρ ε 1 2 2 ) ( ) ( 8 7 8 7 ) (−ΔH _{C H} r_{C H} + −ΔH _COr_CO + −ΔH _H r_H −Q (III.12) * 7 8 7 * 7 ( ) H C H C H C g r x C t U t C − ∂ ∂ − = ∂ ∂

ε

(III.13) 8 7 . 7 ) ( CO CH CO CO g r r x C t U t C + − ∂ ∂ − = ∂ ∂ ε (III.14) 8 7 2 2 2 ( ) 11. H C H H H g r r x C t U t C + − ∂ ∂ − = ∂ ∂

ε

(III.15) 2 2 2 2 ( ) 0.5 0.5. O H O O g r r x C t U t C − − ∂ ∂ − = ∂ ∂

ε

(III.16) 8 7 2 2 2 ( ) 7. H C H O H O H g r r x C t U t C − + ∂ ∂ − = ∂ ∂

ε

(III.17) u t t

U( )=κ( ) (κbernilai {+1} untuk arah kanan dan

{–1} untuk arah ke kiri)

(III.18) Kondisi Batas : untuk

x

=

0

( ) 2 ) ( 1 in o g g ef uc T T t x T − + = ∂ ∂

κ

_ρ

λ

8 7 8 7 8 7 2 ) ( 1 2 ) ( 1 0 , CH H C H C C t C t C = +κ + −κ CO CO CO C t C t C 2 ) ( 1 2 ) ( 1 0 , κ κ − + + = 2 2 2 2 ) ( 1 2 ) ( 1 0 , H H H C t C t C = +κ + −κ 2 2 2 2 ) ( 1 2 ) ( 1 0 , O O O C t C t C = +κ + −κ O H O H O H C t C t C 2 2 2 2 ) ( 1 2 ) ( 1 0 , κ κ ₊ − + = (III.19) untuk

x

=

L

( ) 2 ) ( 1 in o g g ef uc T T t l T ₌ − ₋ ∂ ∂

κ

_ρ

λ

8 7 8 7 8 7 2 ) ( 1 2 ) ( 1 0 , CH H C H C C t C t C = −κ + +κ CO CO CO C t C t C 2 ) ( 1 2 ) ( 1 0 , κ κ ₊ + − = 2 2 2 2 ) ( 1 2 ) ( 1 0 , H H H C t C t C = −κ + +κ 2 2 2 2 ) ( 1 2 ) ( 1 0 , O O O C t C t C = −κ + +κ O H O H O H C t C t C _{2 2 2} 2 ) ( 1 2 ) ( 1 0 , κ κ + + − = (III.20)

Kondisi operasi dan parameter reaksi untuk menyelesaikan model dapat dilihat pada Tabel III.6.

Tabel III.6 Kondisi operasi dan parameter reaksi simulasi RABB untuk

mengkonversikan tar dalam gas produser.

Simbol Nilai Satuan

Reaksi 8 7 , 0CH

k

3.105 m3.mol-1.s-1

R

E

_CH 8 7 1,51.104 K C7H8 + 7 H2O 7CO + 11H2 8 7 ,CH r

H

Δ

873 kJ.mol-1 CO

k

_0, 1,3.108 m3.mol-1.s-1

R

E

_CO 1,51.104 K CO + ½ O2 CO2 CO r

H

_,

Δ

- 283 kJ.mol-1 2 , 0 H

k

3,9.1014 m2.25.K.mol-0.75.s-1

R

E

_H 2 2,05.104 K H2 + ½ O2 H2O 2 ,H r

H

Δ

- 242 kJ.mol-1 Material inert Cp 0,920 kJ.kg-1.K-1 K 5 W.m-1.K-1 ρ 3500 kg.m-3 Dolomit d 0,003 mm Material katalis Cp 1,050 kJ.kg-1.K-1 K 18 W.m-1.K-1 ρ 3720 kg.m-3 Ni /Al2O3 d 0,003 mm Variabel Percobaan Switching time ST 1/300/3600 s Waktu tinggal τ 0,04 s Temperatur umpan T 873 K

Posisi umpan oksigen - Ujung

reaktor/tengah inert/ujung katalis Temporarily lower umpan oksigen - tH=tL= ½ tS tH= ¼ tS

III.2.3.2 Prosedur Simulasi

III.2.4 Teknik Penyelesaian Numerik

Simulasi RABB membutuhkan waktu yang sangat lama untuk mencapai keadaan osilasi yang stabil, jika menggunakan metode iterasi simpson ataupun gauss. Oleh karena itu, prosedur penyelesaian numerik yang efisien telah dikembangkan dengan orde yang lebih tinggi untuk discretisasi bagian perambatan panas dan massa menggunakan waktu yang disesuaikan serta melakukan perbaikan grid lokal secara otomatis. Penyesuaian waktu dilaksanakan berdasarkan perbandingan antara hasil perhitungan dengan satu langkah waktu dari Δt dan hasil perhitungan dengan dua langkah waktu urutan Δt/2. Langkah waktu dikurangi jika error maksimum melebihi ambang batas dan langkah waktu ditingkatkan jika deviasi cukup kecil. Ukuran grid lokal disesuaikan menurut kehalusan / kelancaran. Titik grid akan ditingkatkan jika solusi itu stift dan grid akan dikurangi jika solusi itu tidak stift. Model lengkap diselesaikan dengan bantuan software FlexPDE versi 3.0.

III.3 Variasi Percobaan dan Analisis Data Percobaan.

Variasi yang dilakukan pada penelitian ini adalah switching time, posisi umpan masuk oksigen, dan fraksi waktu temporarily lower umpan oksigen. Data yang terbaca berupa komposisi gas produk serta profil konsentrasi gas produk dan temperatur tiap saat pada titik-titik pengamatan di dalam reaktor. Hasil data yang didapat akan digunakan untuk mengukur variabel-variabel berikut :

1. Konversi tar rata-rata

Konsentrasi tar yang keluar dan masuk reaktor diperoleh berdasarkan rata-rata integral dari kurva konsentrasi tar. Perhitungan rata-rata integral konsentrasi tar menggunakan persamaan:

0 0 1 , 1 ,

)

(

2

)

(

* 7 8 7 , 8 7

t

t

t

t

C

C

C

n n i i i i H C i H C out H C

−

−

+

=

∑

= + + − (III.21)

− − −

−

=

in H C out H C in H C

C

C

C

tar konversi , , , 8 7 8 7 8 7 (III.22)

2. Konsentrasi gas produk rata-rata dan perhitungan LHV gas.

Perhitungan rata-rata konsentrasi gas produk lainnya identik dengan persamaan III.21. Setelah diperoleh rata-rata konsentrasi gas produk yang keluar reaktor, maka LHV produk bisa diperoleh dengan rumus:

.

gas i i

LHV =X H (III.23)

3. Temperatur rata-rata di tiap titik pengamatan dan rata-rata temperatur total di reaktor.

Perhitungan rata-rata temperatur ditiap titik pengamatan identik dengan persamaan III.21, yaitu:

0 0 1 1

₍

₎

2

)

(

t

t

t

t

T

T

T

n n i i i i i titik

−

−

+

=

∑

= + + − (III.24)

Setelah diperoleh rata temperatur di setiap titik pengamatan, maka rata-rata temperatur total di dalam reaktor bisa diperoleh dengan rumus:

0 0 1 , 1 ,

)

(

2

)

(

z

z

z

z

T

T

T

l l i i i i titik i titik reaktor

−

−

+

=

∑

= + − + − − (III.25)