KAJIAN DISTRISBUSI SUHU DAN KECEPATAN ALIRAN UDARA DALAM RUANG BAKAR ALAT PIROLISIS PLASTIK-SEKAM PADI MENGGUNAKAN METODE
COMPUTATIONAL FLUIDS DYNAMIC (CFD)
SKRIPSI
OLEH:
ABEDNEGO SIMANULLANG 150308056
PROGRAM STUDI KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2022
KAJIAN DISTRISBUSI SUHU DAN KECEPATAN ALIRAN UDARA DALAM RUANG BAKAR ALAT PIROLISIS PLASTIK-SEKAM PADI MENGGUNAKAN METODE
COMPUTATIONAL FLUIDS DYNAMICS (CFD)
SKRIPSI
OLEH:
ABEDNEGO SIMANULLANG 150308056
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana Di Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian
Universitas Sumatera Utara
PROGRAM STUDI KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2022
Panitia Penguji Skripsi
Riswanti Sigalingging, STP, M.Si, P.hD Dr. Taufik Rizaldi STP, MP
Achwil Putra Munir, STP, M.Si Raju, STP, M.Si
ABSTRAK
ABEDNEGO SIMANULLANG: Kajian Distribusi Suhu Udara dan Kecepatan Aliran Udara Dalam Ruang Bakar Alat Pirolisis Plastik Sekam Padi Menggunakan Metode Computational Fluids Dinamic (CFD). Dibimbing oleh RISWANTI SIGALINGGING.
Sekam padi merupakan limbah pertanian yang memiliki potensi yang sangat besar dimanfaatkan karena mengandung silika yang tinggi. Pemanfaatan sekam adalah sebagai bahan bakar pirolisis, namun pada proses pembakaran yang dilakukan kurang merata sehingga dilakukan modifikasi alat dan dilakukan pengujian dengan menggunakan metode CFD. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan distribusi suhu dan kecepatan aliran udara yang terbaik didalam ruang bakar sebelum dan sesudah modifikasi alat. Parameter yang diamati adalah suhu rata-rata dan perbandingan hasil sesudah dan sebelum modifikasi alat. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa perbandingan suhu tertinggi menggunakan pipa aliran dan tanpa pipa aliran udara sebesar 4500C dan 557,590C dan sebaran suhu yang baik adalah menggunakan kecepatan 35 m/s karena pergerakan udara didalam ruang bakar lebih merata dan dari hasil penelitian ini menunjukkan bahwa modifikasi yang dilakukan sudah baik karena suhu yang dihasilkan berada pada suhu yang optimum pada proses pirolisis yaitu pada suhu 3700C-4500C.
Kata Kunci : Sekam Padi, Metode CFD, Pirolisis, Pipa Aliran Udara.
ABSTRACT
ABEDNEGO SIMANULLANG: Study of Air Temperature Distribution and Air Flow Velocity in Combustion Chamber of Rice Husk Plastic Pyrolysis Equipment Using Computational Fluids Dynamic (CFD) Method. Supervised by RISWANTI SIGALINGGING.
Rice husk is an agricultural waste that has enormous potential to be utilized because it contains high silica. The use of the husk is as pyrolysis fuel, but the combustion process is not evenly distributed so that the tool is modified and tested using the CFD method. This study aims to obtain the best temperature distribution and air flow velocity in the combustion chamber before and after modification of the tool. The parameters observed were the average temperature and the comparison of results after and before tool modification. The results of this study indicate that the ratio of the highest temperature using a flow pipe and without an air flow pipe is 450 0C and 557.59 0C and a good temperature distribution is to use a speed of 35 m / s because the movement of air in the combustion chamber is more even and from the results of this study indicate that the modification what has been done is good because the resulting temperature is at the optimum temperature in the pyrolysis process, namely at 370 0C-450 0C.
Keywords: Rice Husk, CFD Method, Pyrolysis, Air Flow Pipe.
RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir di Humbang Hasundutan, Sumatera Utara pada tanggal 18 november 1995. Anak laki-laki dari Bapak Santun Simanullang dan Ibu Samsia Sinaga dan merupakan anak ke enam dari sepuluh bersaudara.
Pendidikan formal pertama penulis di SD N 173425 Doloksanggul, selesai tahun 2009. Bersamaan dengan berakhirnya pendidikan dasar, Penulis melanjutkan pendidikan di SMP Swasta SRO Doloksanggul dan selesai tahun 2012. Pada tahun yang sama penulis diterima di SMA N 2 Doloksanggul dan menyelesaikan pendidikannya pada tahun 2015. Kemudian pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan S-1 di Program Studi Keteknikan Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Sumatera Utara.
Selama mengikuti perkuliahan, Penulis berperan menjadi Anggota Ikatan Mahasiswa Teknik Pertanian (IMATETA), selain itu, Penulis juga bagian dari anggota Ikatan Mahasiswa Humbang Hasundutan Sumatera Utara (IMHU).
Penulis melaksanakan Praktik Kerja Lapangan (PKL) di PKS Pagar Merbau PT. Perkebunan Nusantara II di Desa Pagar Merbau, Kecamatan Pagar Merbau, Kabupaten Deli Serdang, Sumatera Utara.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia- Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi dengan judul “Kajian Distribusi Suhu Udara dan kecepatan Aliran Udara dalam Ruang Bakar Alat Pirolisis Plastik-Sekam Padi Menggunakan Metode Computational Fluids Dynamics (CFD)” yang merupakan salah satu syarat untuk memproleh
gelar Sarjana di Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara, Medan
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada:
1. Orangtua penulis atas motivasi, pengertian serta dukungan doa selama menempuh perkuliahan.
2. Ibu Riswanti Sigalingging, STP., M.Si.,Ph.D selaku dosen pembimbing yang telah membimbing, membantu dalam berbagi ilmu serta memberi masukan dan kritikan yang membangun sehingga skripsi ini dapat selesai.
3. Bapak Putra Achwil Munir, STP.,M.Si dan Bapak Raju, STP., M.Si selaku dosen Pembanding.
4. Bapak Dr. Taufik Rizaldi, STP.,M.Si selaku Ketua Program Studi, seluruh Dosen dan Staff Pengajar serta Pegawai di Program Studi Keteknikan Pertanian.
5. Devi Triana Lumban Gaol yang selalu membantu dan memberikan semangat dalam proses penelitian dan pengerjaan skripsi ini.
6. Seluruh rekan mahasiswa dan kawan-kawan yang berpartisipasi membantu saya dalam proses penelitian.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penulisan ini masih jauh dari kata sempurna dikarenakan terbatasnya pengalaman dan pengetahuan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan segala bentuk dan saran serta masukan bahkan kritik yang bersifat membangun dari berbagai pihak.
Akhir kata, penulis mengucapkan terimakasih, semoga skripsi ini berjalan dengan baik dan bermanfaat bagi perkembangan dunia pendidikan.
Medan, januari 2022
Penulis
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
RIWAYAT HIDUP ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... vii
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR LAMPIRAN ... ix
PENDAHULUAN ... 1
Latar Belakang ... 1
Tujuan penelitian ... 4
Manfaat Penelitian ... 4
Batasan penelitian ... 4
TINJAUAN PUSTAKA ... 5
Sekam Padi ... 5
Karakteristik Sekam Padi ... 5
Pemanfaatan Sekam padi ... 6
Briket, Bahan Bakar Alternatif ... 6
Pupuk Organik ... 6
Bahan Campuran Beton ... 6
Plastik ... 7
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Pirolisis ... 8
Pirolisis Sekam Padi ... 8
Pirolisis Plastik ... 9
a. Udara Bantu ... 11
b. Distribusi panas ... 12
Teknik Simulasi CFD Pirolisis ... 14
Preprocessing ... 15
Processing ... 17
Post Processing... 19
METODOLOGI PENELITIAN ... 23
Waktu dan Tempat Praktikum ... 23
Bahan dan Alat ... 23
Metode Penelitian ... 24
Rancangan Struktural Alat ... 26
Prosedur pengujian ... 27
Metode simulasi ... 28
Parameter Penelitian ... 29
Asumsi dalam Simulasi CFD ... 29
Kondisi Awal Dalam Simulasi CFD ... 30
HASIL DAN PEMBAHASAN ... 31
Disribusi Suhu Udara dalam Ruang Bakar ... 31
Pengukuran Langsung, Simulasi Suhu dan Kecepatan Aliran Udara Pada Kecepatan 15 m/s Dengan Pipa Aliran Udara ... 31
Pengukuran Langsung, Simulasi Suhu dan Kecepatan Aliran Udara Pada
Kecepatan 25 m/s Dengan Pipa Aliran Udara ... 34
Pengukuran Langsung, Simulasi Suhu dan Kecepatan Aliran Udara Pada Kecepatan 35m/s Dengan Pipa Aliran Udara ... 36
Pengukuran Langsung, Simulasi Suhu dan Kecepatan Aliran Udara Pada Kecepatan 25 m/s Tanpa Pipa Aliran Udara ... 39
Perbandingan Hasil ... 43
Perbandingan Suhu Rata rata Sebelum dan sesudah modifikasi dengan kecepatan udara yang sama ... 44
Perbandingan hasil setelah pembakaran dengan kecepatan udara 25 m/s dengan pipa aliran dan tanpa pipa aliran udara ... 46
KESIMPULAN DAN SARAN ... 48
Kesimpulan ... 48
Saran ... 49
DAFTAR PUSTAKA ... 50
Lampiran ... 53
DAFTAR TABEL
No. Hal
1. Komposisi Kimia Sekam Padi Kering ... 6
2. Posisi Sensor Suhu Ruang Bakar ... 25
3. Hasil pengukuran suhu rata-rata kecepatan 15 m/s ... 31
4. Hasil pengukuran suhu rata-rata kecepatan 25 m/s ... 34
5. Hasil pengukuran suhu rata-rata kecepatan 35 m/s ... 37
6. Hasil pengukuran suhu rata-rata kecepatan 25 m/s tanpa pipa aliran ... 40
7. Perbandingan nila aktual dan nilai simulasi ... 44
8. perbandingan Hasil Modifikasi dan Sebelum Modifikasi Dengan Kecepatan Yang Sama ... 47
DAFTAR GAMBAR
No. Hal
1. Alat Pirolisis Plastik-Sekam Padi ... 11
2. Letak Pengukuran Titik Suhu ... 25
3. Alat Pirolisis Plastik-Sekam Padi dengan Pipa aliranu dara ... 26
4. Alat Pirolisis Plastik-Sekam Padi Tanpa Pipa aliran udara... 26
5. Ruang Bakar Sebelum Modifikasi ... 26
6. Pipa Aliran Udara ... 26
7. Ruang Bakar Sesudah Modifikasi ... 27
8. Simulasi Suhu Kecepatan Udara 15 m/s dengan Pipa Aliran Udara ... 32
9. Simulasi Kecepatan Aliran 15 m/s dengan Pipa Aliran Udara .. 33
10. Simulasi Suhu Kecepatan Udara 25 m/s dengan Pipa Aliran Udara ... 35
11. Simulasi Kecepatan Aliran 25 m/s Dengan Pipa aliran Udara.... 35
12. Simulasi Suhu Kecepatan Udara 35 m/s Dengan Pipa Aliran Udara ... 38
13. Simulasi Kecepatan Aliran 35 m/s dengan Pipa Aliran Udara ... 38
14. Simulasi Suhu Kecepatan Udara 25 m/s Tanpa Pipa Aliran Udara ... 41
15. Simulasi Kecepatan Aliran Udara 25 m/s Tanpa Pipa Aliran Udara ... 43
16. Grafik Suhu Rata-rata T1-T10 ... 45
DAFTAR LAMPIRAN
No. Hal
1. Flowchart Penelitian ... 53
2. Perhitungan Analisis Teknik Ruang bakar dan Hopper ... 54
3. Data Input Suhu ... 55
4. Data Suhu Maksimum ... 57
5. Proses Analisis Simulasi... 58
6. Gambar Alat ... 62
7. Dokumentasi ... 65
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Indonesia merupakan Negara yang sangat luas lahan pertaniannya sehingga hampir sebagian masyarakat bermata pencaharian sebagai petani, salah satu produk utamanya adalah padi. Prosess penggilingan padi yang menghasilkan sekam masih jarang dimanfaatkan oleh sebagian masyarakat Indonesia. Hal ini terlihat dari berbagai daerah di Indonesia yang membiarkan limbah sekam padi terbuang dibeberapa tempat, padahal jika terus menerus dibiarkan tentunya akan menjadi masalah bagi lingkungan. Untuk itu, perlu dilakukan sebuah inovasi pemanfaatan limbah padi untuk mengurangi masalah penumpukan limbah sekam setiap tahunnya diberbagai daerah di Indonesia.
Pemanfaatan limbah sekam padi yang mungkin bisa diaplikasikan adalah sebagai sumber silika karena menurut Suka dkk (2008) sekam memiliki kandungan silika yang dapat mencapai 94% dari abu sekam sehingga sekam memiliki potemsi yang besar untuk dimanfaatkan. Selain penggunaan sekam sebagai sumber silika, sekam juga dimanfaatkan sebagai bahan bakar pada pembakaran langsung. Dan alternatif lain dari pemanfaatan sekam adalah sebagai bahan bakar alat pirolisis karena mempunyai nilai kalor yang tinggi.
Pemanasan yang dilakukan terhadap material organik tanpa menggunakan oksigen dapat merubah komposisi kimia bahan yang disebut dengan pirolisis.
Menurut Mulyadi (2006) proses pirolisis berlangsung pada temperatur sekitar 2300C yang umumya menghasilkan produk berupa gas, tar dan arang. Komponen sampah akan pecah menguap bersama komponen lainnya saat komponen yang tidak konstan secara termal dan volatile matters. Terdapat hubungan yang sangat
2 rumit antara parameter yang mempengaruhi laju reaksi pirolisis, yang membuat model persamaan matematis dari persamaan laju reaksi pirolisis yang dirumuskan oleh para peneliti sebelumnya menyajikan rumus empiris yang berbeda.
Namun, pada penelitian-penelitian sebelumnya proses pembakaran didalam ruang bakar alat pirolisis kurang merata sehingga perlu dilakukan modifikasi alat. Modifikasi alat yang dilakukan adalah dengan penambahan pipa aliran udaran di dalam ruang bakar, sehingga dengan penambahan pipa ini proses pembakaran yang dilakukan dapat merata dan mendapatkan pembakaran yang sempurna. untuk mengetahui performa modifikasi alat yang dilakukan didalam ruang bakar maka diperlukan sebuah teknologi yang dapat mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena aliran lainnya dengan menggunakan persamaan Navier-Stokes secara Numerik. Untuk memecahkan persamaan Navier-Stokes secara numerik maka dilakukan perhitungan menggunaakan aplikasi CFD, karena aplikasi CFD dapat memprediksi perilaku fluidisasi didalam sebuah model.
Perkembangan teknologi CFD saat ini dapat membantu sebagai pelengkap data eksperimen murni maupun teori murni atau dengan kata lain yaitu menghubungkan dunia eksperimen dengan teori. Selain itu pemanfaatan CFD dapat digunakan untuk menginterpretasikan dan memahami hasil eksperimen dan teori, begitu juga sebaliknya. Selain fungsi riset, CFD juga trend dalam dunia desain engineering karena kemudahan dan fleksibilitasnya yang dapat digunakan untuk menemukan trend hubungan parameter yang satu dengan yang lainnya.
Agar lebih mudah dalam mengevaluasi kinerja alat atau memodifikasi hasil alat, CFD menjadi acuan yang baik karena memiliki keunggulan menghemat
3 waktu dan biaya. Selain waktu dan biaya, keunggulan CFD adalah dapat memprediksi distribusi aliran udara dalam model. CFD juga merupakan model yang dirancang untuk menyelesaikan persamaan matematis, memprediksi aliran fluida, dan perpindahan panas (Tuakia, 2008). Oleh karena itu, CFD dianggap sangat penting untuk menyelesaikan masalah dan memahami secara visual keadaan fluida di ruangan atau model.
Perkembangan ilmu dan teknologi analisis CFD telah berperan penting dalam meningkatkan analisis mekanika fluida. Baik dalam meningkatkan kinerja pembangkit tenaga listrik, yaitu reaktof gasifikasi. Prediksi yang dihasilkan dari simulasi dapat memberikan infomasi dibeberapa titik reaktor bahkan ratusan titik didalam reaktor. CFD juga dapat memprediksi secara akurat proses kontroversi biomassa secara termokimia. Namun, di dalam simulasi CFD terdapat beberapa pendekatan yang dapat menimbulkan eror, karena simulasi ini menganalisa distribusi produk, aliran, suhu, endapan abu, bahkan emisi berupa NOx.(Wang dan Yan, 2008)
Eksperimen on-site experiment, wind-tunnel experiment, dan perhitungan matematika (numerical validation) sangat diperlukan dalam model simulasi lantaran model simulasi CFD memakai banyak asumsi, akurasi model tersebut wajib divalidasi dengan memakai data eksperimen menjadi pembanding pada proses pengerjaan simulasi.
Pada proses pengerjaan CFD, terdapat 3 metode yang wajib dilakukan yaitu preprocessing, solving dan postprocessing (Tuakia, 2008). Preprocessing adalah definisi yang sulit, khususnya peningkatan matematika, pengembangan kerangka kerja, pengaturan properti cair, dan pengaturan kondisi batas. Solving
4 adalah penyelesaian kondisi matematis, khususnya pengaturan keberadaan, perhitungan tackling, sedangkan postprocessing merupakan representasi dari hasil reproduksi CFD yang dilakukan dalam perkembangan ini adalah menyusun dan menguraikan informasi hasil pemeragaan CFD sebagai gambar, tikungan, atau gerakan.
Tujuan penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui distribusi suhu dan kecepatan aliran udara yang terbaik di dalam ruang bakar alat pirolisis sebelum dan sesudah modifikasi menggunakan metode Computational Fluids Dynamics (CFD)
Manfaat Penelitian
1. Bagi penulis yaitu sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan di Program Studi Keteknikan Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Sumatera Utara,
2. Bagi Mahasiswa, sebagai informasi pendukung untuk melakukan penelitian lebih lanjut mengenai Computational Fluids Dynamics (CFD)
3. Bagi masyarakat, Sebagai bahan informasi bagi pihak yang membutuhkan.
Batasan penelitian
Penelitian hanya membahas tentang perbandingan distribusi temperatur udara dan kecepatan aliran udara didalam ruang bakar alat pirolisis sekam padi sebelum dan sesudah modifikasi alat sehingga dapat mengevaluasi modifikasi alat yang dilakukan.
TINJAUAN PUSTAKA
Sekam Padi
Menurut haryadi (2006), penggilingan padi menghasilkan sekam 25%, dedak 8%, bekatul 2% dan 65%. Sekam yang berjumlah 25% jika dibiarkan terbuang tanpa adanya pemanfaatan sangat berdampak pada kesehatan lingkungn terutama di daerah pedesaan. Hal ini sesuasi dengan literatur Balai Penelitian Pasca Panen Pertanian (2008) yang menyatakan bahwa limbah pertanian yang paling berdampak terhadap lingkungan terjadi di daerah pedesaan. Untuk mengatasi hal itu perlu dilakukan pemanfaatan karena sekam mengandung silika tinggi dan sekam tersusun dari jaringan.serat-serat selulosa yang berbentuk serabut yang sangat keras.
Karakteristik Sekam Padi
Sekam tersusun atas selulosa 33-34% berat, lignin 19-47% yang jika dilakukan pembakaran akan menghasilkan abu sekam 13-29% dan dari abu yang dihasilkan mengandung 87-97% silika dari berat abu sekam (Harsono, 2002). Hal ini sesuai dengan literatur Hartono (2002) yang menyatakan.sekam memliki kadungan silika yang tinggi.sekitar 87-97% berat abu sekam padi karena komposisi silicon yang dominan didalam sekam.
Sekam padi terbuat dari berbagai komponen logam dan non-logam yang mengandung komponen karbon, oksigen, dan silikon. Sekam terbuat dari susunan filamen selulosa yang mengandung silika sebagai untaian keras sehingga beras dapat terlindung dari bahaya yang ditimbulkan oleh serangan parasit. Pada dasarnya, sekam memiliki silika yang cukup tinggi yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan mentah untuk barang berbahan silika.
6
Tabel 1. Komposisi kimia sekam padi kering (% berat)
Komponen % Berat
Kadar air 32,4 – 11,35
Protein kasar 1,70 – 7,26
Lemak 0,38 – 2,98
Ekstrak nitrogen bebas 24,7 – 38,79
Serat 31,37 – 49,92
Abu 13,16 – 29,04
Pentosa 16,94 – 21,95
Selulosa 34,34 – 43,8
Lignin 21,4 – 46,97
(Sumber: Ismunadji, 1988 dalam Sihombing) Pemanfaatan Sekam padi
Pengaplikasian pemanfaatan sekam padi dapat berupa : Briket, Bahan Bakar Alternatif
Salah satu pemanfaatan sekam padi adalah briket arang sekam.
Bagaimanapun, briket arang sekam lebih mudah terbakar dan menimbulkan asap dibandingkan briket lainnya, misalnya, arang kayu atau briket tempurung kelapa.
Menurut, Barus, dkk (2017) menambahkan panas briket sebesar 3073 kal / gr pada briket dapat membuat briket tidak mudah terbakar dan tidak menimbulkan banyak asap.
Pupuk Organik
Pemanfaatan sekam dapat digunakan sebagai pupuk organik karena abu dari sekam padi memiliki unsur kimia jika dicampurkan dengan tanah karena mampu mengikat berbagai macam unsur hara yang dibutuhkan oleh tanaman.
Bahan Campuran Beton
Menurut hidayat (2011) dari prsose penggilingan menghasilkan abu sekam yang memiliki struktur silika yang jika dicampurkan dengan semen akan menghasilkan kekuatam dan ketahanan yang sangat tinggi.
7
Plastik
Plastik adalah sejenis makromolekul yang dibingkai oleh polimerasi.
dimana interaksi polimerasi adalah perpaduan atom basa dengan siklus senyawa menjadi partikel yang sangat besar. Substansi pergerakan penumpukan monomer vinil klorida yang merupakan penyusun polivinilklorida yang bersifat penyebab kanker, menjadikan plastik berbahaya bagi kesejahteraan manusia (Siswono, 2008). Sesuai dengan ikatan polimer Ahmann dan Dorgan JR (2007) yang mudah rusak oleh energi panas membuat plastik mudah terbakar padahal asap yang dihasilkan dari konsumsi plastik berisiko karena mengandung gas berbahaya seperti Hidrogen sianida (HCN) yang berasal dari polimer berbasis akrilonitril dan karbon monoksida (CO) dari penyalaan yang kurang (Ermawati, 2011)
Pirolisis
Interaksi deteriorasi atau disebut juga devolatasi suatu material pada temperatur tinggi tanpa kontak dengan udara luar yang menyebabkan terjadinya pembusukan campuran penyusun yang tidak dapat diprediksi yang menghasilkan zat dalam 3 struktur yaitu arang, minyak dan gas. Temperatur dalam siklus pirolisis sebagian besar berkisar antara 3000C sampai 6000C (Chaurasia dan Babu, 2005).
Bahan pokok seperti arang yang dihasilkan dari penyalaan digunakan sebagai karbon aktif, minyak yang dihasilkan digunakan sebagai bahan adiktif dan kombinasi bahan bakar, sedangkan gas selanjutnya dapat dihanguskan dengan mudah. Sedangkan menurut Basu (201) hasil yang diperoleh dari hasil pembakaran tergantung dari beberapa faktor.
8
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Pirolisis Faktor mempengaruhi proses pirolisis adalah : 1. Waktu
Waktu memberikan pengaruh dalam proses pirolisis dimana semakin lama waktu yang dibutuhkan maka produk yang dihasilkan akan meningkat.
2. Suhu
Suhu memberikan pengaruh terhadap produk yang dilakukan selama proses pirolisis. Dimana, semakin tinggi suhu nilai konstanta dekomposisi thermal makin besar hal ini mengakibatkan kecepatan laju pirolisis naik dan konversinya juga naik.
3. Ukuran Molekul
Besar kecilnya suatu molekul mempengaruhi koherensi pirolisis dimana ukuran partikel berbanding terbalik dengan zona permukaan yang membuat interaksi menjadi sedang.
4. Berat Molekul
Beratnya partikel mempengaruhi siklus pirolisis dimana semakin banyak partikel yang ditempatkan ke dalam penyalaan, tar dan arang akan bertambah.
(Wahyudi, 2001) Pirolisis Sekam Padi
Siklus pirolisis yang memanfaatkan sekam padi sebagai bahan pokok sekam sangat mungkin merupakan pendekatan terbaik untuk mengurangi efek ekologi negatif, seperti memanfaatkan energi potensial yang terkandung dalam sekam padi. Hal ini sesuai dengan Literatur Iskandar (2012) yang menyatakan bahwa energi yang terdapat dalam sekam padi adalah 4.400 kj / kg dengan
9
kerapatan jenis sekam padi 1125 kg / m3 dan perkiraan kalori 1 kg sekam yang mencapai 3.300 kkalori. Hasil dari pembakaran sekam padi yang dilakukan menghasilkan bahan bakar berupa karbon berupa cairan kombinasi tar dan zat yang berbeda. Untuk sementara, produk gas tersebut adalah CO2, CH4 dan beberapa gas yang memiliki sedikit zat.
Meningkatkan suhu pembakaran dapat meningkatkan laju dekomposisi sekam padi. Hal ini sesuai dengan literatur Hartanto dan Alim (2014) yang menyatakan bahwa kecepatan proses dekomposisi sekam padi meningkat jika terjadi peningkatan suhu didalam tabung reaktor. Laju maksimum yang digunakan dalam proses dekomposisi sekam padi berada pada suhu 590K- 626K sehingga untuk mendapatkam hasil pirolisis yang optimum maka dilakukan pembakaran dengan suhu konstan dengan suhu berada di rentang suhu tersebut. Hal ini sesuai dengan Thorat et Al (2013) yang mengatakan bahwa Pirolisis yang bagus berada pada suhu antara 3700C-4200C. Peningkatan temperatur akan menyebabkan produksi asap cair semakin berkurang karena terjadi reaksi kimia lanjut(Bridgwater, 1999)
Pirolisis Plastik
Siklus pengrusakan material yang dilakukan tanpa kontak dengan udara luar (oksigen) atau yang dikenal dengan interaksi termokimia membutuhkan temperatur antara 3000C-5000C untuk menghasilkan gas, kemudian gas yang dikirim dikondensasikan untuk mendapatkan minyak dan limbah yang berupa char (Patni et al., 2013). Hal ini menunjukkan bahwa untuk memisahkan minyak plastik dari bahan plastik melalui siklus pirolisis suhu terbesar yang harus didapatkan yaitu sekitar 5000C.
10
Pembuatan biofuel dalam pengelolaan limbah di TPA membutuhkan pirolisis cepat dan pirolisis plasma untuk cakupan yang sangat besar. Biofuel yang dihasilkan dari pirolisis cepat karena laju perpindahan panas yang sangat cepat, vapour residence time yang pendek umumnya mengandung bahan yang sangat beroksigen, sedangkan dalam pirolisis plasma menghasilkan asap cair karena laju transfernya sangat kecil. Menurut Shamfe et al, (2014) pirolisis cepat dapat menghasilkan minyak 64%, gas non-kondensasi 22%, dan penumpukan 14% dan mengandung 24 lignoselulosa pada suhu sekitar 4500C-6500C.Pirolisis Plastik- Sekam Padi
Alat pirolisis sekam padi plastik merupakan alat integrasi yang rencananya dilakukan setelah pemeriksaan khusus pada alat tersebut, yang dapat berupa kombinasi alat pirolisis plastik dan alat pirolisis sekam padi menjadi satu kesatuan yang utuh. Pada peralatan ini bahan bakar pirolisis direncanakan dengan memanfaatkan sekam padi sebagai bahannya, tetapi sekam tetap terpirolis.
Rencana persiapan dilakukan dengan menggunakan reaktor sebagai pirolisis plastik, ruang bakar untuk pirolisis sekam padi, Selimut penahan panas dan dua perangkat kondensor untuk uap plastik dan sekam. Reactor plastic dirancang berkapasitas 3 kg dan ruang bakar berkapasitas 10 kg dan masing masing terhubung menggunakan spiral pipa sebagai kondensor uap asap sekam dan plastic. (Sigalingging, dkk.,2019)
11
Gambar 1. Alat pirolisis plastik-sekam padi
Penelitian yang dilakukan Handoyo (2013) menggunakan tungku gasifikasi kapasitas 1,2 kg dengan tujuan untuk mengetahui variasi kecepatan udara terhadap temperatur pembakaran, temperatur pendidihan air, nyala efektif dan efisiensi thermal tungku dengan 3 variasi kecepatan yang dilakukan. Variasi kecepatan yang dilakukan yaitu 3,5 m/s, 4,0 m/s, dan 4,5 m/s dan setiap 3 menit dilakukan pengukuran temperatur pembakaran dan pendidihan air. Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan maka didapatkan bahwa variasi kecepatan udara sangat berpengaruh terhadap temperatur pembakaran, temperatur pendidihan efektif serta efisiensi termal yang dihasilkan. temperatur yang dihasilkan berturut turut dari kecepatan 3,5 m/s, 4,0 m/s, dan 4,5 m/s adalah 526,330C, 568,780C dan 570,220C dan efisiensi thermal berturut-turut adalah 17,55%,17,33% dan 15,97%.
a. Udara Bantu
Penambahan udara bantu pada reaktor memberikan pengaruh terhadap temperatur pembakaran didalam reactor yang berupa waktu nyata efektiif dan efisiensi thermal tungku. (Putranto, 2017).
1. Hopper
2. Pipa kondensor
3. Tabung Kondensor 4. Ruang Bakar
5. Ruang Abu
12
Udara bantu dirancang dengan menggunakan blower 2 inci untuk memasok kebutuhan oksigen dalam proses pembakaran dan pengumpan panas dengan kecepatan maksimum yang digunakan 25 m/s2. Penambahan ini diharapkan dapat membantu proses pembakaran, dimana titik suhu terendah didapatkan pada bagian yang sulit dijangkau oleh oksigen, hal tersebut didukung dengan bukti abu yang terkena oksigen cenderung putih sedangkan yang tidak terkena udara berwarna hitam. (Sigalingging, dkk, 2019)
b. Distribusi panas
Proses distribusi panas dalam peralatan pirolisis harus diketahui untuk menentukan area-area termal retak yang secara signifikan yang memberikan pengaruh pada hasil yang didapat dari pirolisis. Jika semakin banyak thermal cracking yang terjadi, semakin kecil hasil yang didapat dari proses pirolisis. Hal ini sesuai dengan literatur Hartulistiyosoto et al. (2015) yang telah melakukan penelitian pengukuran pendistribusian panas pada reaktor silender 450°C dalam pirolisis botol. Distribusi suhu penting untuk dicatat karena dapat memperkirakan area di mana termal retak terjadi.
c. Laju Aliran Udara
Komsumsi bahan bakar didalam reaktor akan semakin meningkat apabila terjadi kenaikan laju udara yang semakin besar, sehingga dengan penambahan aliran udara akan memberikan kontribusi terhadap distribusi suhu dalam reaktor . Hal ini sesuai dengan literatur Purwantana (2007) yang menyatakan bahwa penambahan jumlah oksigen di dalam reaktor menyebabkan lebih banyak bahan yang terbakar, sehingga bahan lebih cepat menjadi arang. Namun, penambahan laju aliran udara ini harus dapat menyalurkan udara yang masuk secara merata
13
didalam ruang bakar, sehingga dapat mengetahui apakah penambahan aliran udara ini efisien untuk digunakan. Untuk menyelesaikan masalah-masalah tersebut maka diperlukan persamaan-persamaan matematika atau model matematika. Pada dasarnya CFD menggantikan kondisi diferensial yang tidak lengkap dari kesesuaian, gaya, dan energi dengan kondisi matematika.
Metode Computational Fluids Dinamics (CFD)
Penggunaan aplikasi CFD dalam aplikasi mekanis yang berbeda yang digunakan untuk menyelidiki aliran arus yang berbeda berguna dalam aplikasi modern yang berbeda karena sangat sulit untuk menggambarkannya secara non- visual yang digunakan untuk lingkup yang sangat besar terutama dalam aliran distribusi panas dan tidak menutup kemungkinan dikembangkan terhadap komposisi gas buang. Strategi CFD juga mempertimbangkan elemen cair seperti kecepatan cairan, bantalan aliran cairan, faktor tekanan, suhu dan fokus pada saat yang bersamaan. Hasil yang diperoleh dari proses perhitungan dapat ditampilkan dalam bentuk degradasi warna, plot kontur atau vektor kecepatan.
Metode CFD dapat memprediksi desain aliran yang terjadi kapan saja di komponen dalam ruang bakar pirolisis. Batas-batas matematis yang dihasilkan dari metode CFD tersebut selanjutnya dapat diperbaiki dengan tujuan untuk mendapatkan ukuran geometri ruang bakar yang optimal. Persetujuan model yang digunakan dalam teknik CFD harus dimungkinkan dengan data eksperimen.
Dibandingkan metode percobaan, teknik CFD dapat menurunkan jumlah percobaan yang diharapkan untuk menguji interaksi dan pengaruh parameter desain ruang bakar terhadap pola aliran fluida dan kinerja ruang bakar sehingga dapat lebih menghemat biaya dan waktu.
14
Pemeriksaan model molekul hardsphere (bulatan padat) oleh Goldschmidt dkk, (2001) dengan model 2 fluida yang memanfaatkan kondisi energi dinamis kemudian dikontraskan dan informasi pengujian yang sesuai. Dari konsekuensi korelasinya, mereka menemukan bahwa CFD mengantisipasi fluidisasi baik dari pola ukuran kantong udara dan peningkatan tinggi hamparan (bed), namun dalam dinamika hamparan penelitian menunjukkan hasil yang bervariasi.
Pemanfaatan CFD telah direkomendasikan oleh beberapa ahli, misalnya Mehrabian dkk, (2012) yang memanfaatkan reproduksi dengan perhitungan bulat dan berongga dan melingkar dari partikel biomassa dalam peragaan pengapian.
Chaney dkk, (2012) memanfaatkan teknik CFD dalam skala mekanis yang sangat besar melalui program CFD bisnis sebagai hal yang biasa yang dapat mengantisipasi area yang layak untuk pengaturan jalur stok. Sugar Research Institute (SRI), Australia, mengarahkan pemeriksaan dengan kemajuan pemanas bertenaga bagase. Sementara itu, Gomez dkk, (2014) mengamati gerakan massa udara pada profil suhu di sepanjang lapisan, sedangkan Miltner dkk, (2007) membangun model 3-dimensi untuk meniru pengapian di unggun tetap menggunakan teknik CFD.
Teknik Simulasi CFD Pirolisis
Perancangan reactor digunakan sebagai experimental set-up dengan sasaran utama yaitu untuk mempelajari sebaran suhu dan model simulasi kontur suhu didalam reaktor pada proses pirolisis plastik. Dari pengujian experimental set-up diperoleh informasi eksplorasi yang merupakan informasi penyebaran suhu yang akan digunakan untuk membuat bentuk suhu menggunakan CFD dan menyetujui model. Sebagaimana diindikasikan oleh Tuakia (2008), CFD
15
digunakan sebagai mekanisme investigasi matematis, yang dapat melakukan penghitungan secara tepat dan memperlancar waktu. Pengujian yang dilakukan menghasilkan jenis bentuk suhu dari ukuran pirolisis plastik adalah kondisi keadaan yang konsisten yang nantinya dapat digunakan sebagai alasan untuk perencanaan reaktor pirolisis plastik.
Menurut Tuakia (2008) penggunaan kondisi diferensial diubah menjadi kondisi matematika langsung menggunakan teknik diskritisasi (penurunan persamaan diferensial parsial menjadi beda hingga). Untuk menangani bagian model yang jelas, penting untuk berhati-hati dalam menggambarkan model yang digunakan. Hal Ini harus dilakukan dalam menentukan kestabilan.dari program Numerik CFD matematika yang digunakan dalam penanganan program. Metode yang digunakan dalam proses penanganan program yaitu:
a. Metode beda.hingga b. Metode elemen.hingga c. Metode volume.hingga d. Metode skema resolusi.tinggi
Proses kerja pada Fluent secara umum ada tiga jenis , yaitu preprocessing, processing, dan post processing.
Preprocessing
Tahap preprocessing merupakan tahap awal dari proses CFD, pada tahap ini akan dilakukan beberapa proses sebagai berikut:
a. Definisi geometri dari benda kerja.
16
Menentukan apakah simulasi 2 dimensi atau 3 dimensi menggunakan software CFD, tetapi jika benda kerja terlalu rumit dapat menggunakan software assembly seperti autocad, Solidwork
b. Pembuatan grid (mesh) atau disebut sebagai meshing.
Menentukan tipe mesh yang akan digunakan. Tingkat konvergensinya akan meningkat bila kualitas mesh semakin baik.
Proses meshing terbagi menjadi dua berdasarkan bentuk sel yaitu dua dimensi dan tiga dimensi. Untuk sel 2 dimensi yaitu Triangle dan Quadrilateral sedangkan 3 dimensi dibagi atas 4 yaitu Tetrahendron, Pyramid, Triangular Prism dan Hexahedron
Klasifikasi mesh dibagi menjadi 3 jenis yang digunakan dalam proses meshing, yaitu:
a. Structured mesh
Merupakan bagian meshing yang terstruktur yang dapat dikenali dari konektifitas mesh yang teratur dan rapi. Quadrilateral di 2D dan Hexahedra di 3D menggunakan strutured mesh dalam proses mesh yang dilakukan
b. Unstructured mesh
pada bagian ini berbanding terbalik dari structured mesh dimana konektifitas mesh nya tidak teratur. Dalam mesh ini biasanya menggunakan Triangel di 2D dan tetrahedra di 3D.
c. Hybrid mesh.
Struktur yang ketiga pada bagian mesh adalah Hybrid mesh yang merupakan gabungan dari kedua klasifikasi mesh sebelumnya.
17
Processing
Tahap processing adalah tahap kedua yang digunakan pada proses utama kerja Fluent, dimana pada tahap ini aka dilakukan penentuan kondisi batas (boundary condition) dan pemilihan metode inisiasi. Parameter yang dimasukkan kedalam kondisi batas adalah:
a. Velocity inlet
pada bagian ini dilakukan pendefinisian kecepatan aliran besaran dan besaran skalar lainnya pada sisi masuk aliran (inlet).
b. Mass flow inlet
Data yang digunakan yaitu laju aliran massa dan dan temperatur fluida c. Pressure inlet
data yang digunakan data tekanan total (absolute), tekanan gauge, temperature, arah aliran dan besaran turbulensi
d. Pressure outlet
proses ini menggunakan data tekanan static, temperatur aliran balik dan besar turbuluensi aliran balik.
e. Outflow
menggunakan data aliran pada output . f. Pressure far-field
memasukkan nilai tekanan gauge, bilangan march, temperature aliran, arah aliran dan besaran turbulensi pada sisi keluar.
g. Inlet vent dan outlet vent
pada proses ini digunakan untuk model saluran masuk/keluar aliran.
h. Intake fan dan exhaust fan
18
penggunaan data dalam tahap ini hampir sama dalam tahap preasure inlet/preasure oulet, hanya saja dalam tahap ini terdapat tambahan data untuk kenaikan tekanan setelah melewati fan/blower (pressure-jump).
i. Dinding (wall)
dalam kondisi batas ini dinding ini berfungsi untuk dinding pada aliran fluida yang akan digunakan sebagai dinding saluran dan sebagai pembatas antara daerah fluida ( cair dan gas dan padatan)
j. Symmetry dan axis
pada bagian kondisi batas ini simetri berfungsi untuk model geometry kasus yang bersangkutan dan pola aliran pada model tersebut sedangkan anxis berguna untuk garis tengah (centerline) pada kasus 2D axisymmetry.
k. Periodic
pada kondisi ini digunakan untuk mengurangi daya komputasi pada kasus tertentu( kasus yang medan aliran dan geometry yang periodicnya baik secara translasi atau rotasi)
l. Cell zone fluid
Didefenisikan sebagai media berpori yang menggunakan data material fluida.
m. Cell zone solid
Didefenisikan sebagai padatan dan menggunakan data material padatan atau dapat didefinisikan heat generation rate pada kontinum solid (opsional) n. Porous Media
batas ini digunakan untuk mengaktifkan pilihan porous zone pada panel fluida yang digunakan pada sebuah model.
19
o. Kondisi batas internal
yang terdapat pada kondisi batas internal ini adalah fan, radiator, porous jump, interior yang berada pada tengah medan aliran dan tidak mempunyai ketebalan. Bagian-bagian kondisi batas internal ini mempunyai fungsi fungsi tersendiri. Dimana fan, radiator, dan porous jump berguna untuk memodelkan fan, radiator atau media berpori yang berada ditengah-tengah aliran sehingga dalam kondisi ini tidak perlu dilakukan pemodelan pada fan dan radiator. Sedangkan pada kondisi batas interior berguna pada bidang yang kedua sisinya dilewati oleh fluida.
Post Processing
Post processing merupakan tahap terakhir dan tahapan ini akan menampilkan hasil dari proses perhitungan dari kondisi batas dan metode solver yang digunakan dan memberikan tampilan grafis yang menunjukkan mesh, kontur, vektor dan pathline.
a. Displaying Mesh
Menampilkan mesh yang dikerjakan b. Displaying Contours dan Profiles
Menampilkan bentuk kontur dan profil dari model yang sedang diteliti Seperti tampilan tekanan, tampilan temperatur dan tampilan kecepatan
c. Displaying Vectors
Menampikan vector dari model berupa vector tekanan, temperature dan kecepatan
d. Displaying Pathlines
20
Pathlines berfungsi memvisualisasikan aliran partikel tak bermassa yang menjadi domain permasalahan.
Software pendukung yang digunakan dalam proses pengelolaan data dalam CFD antara lain:
1. Gambit
Software gambit memberikan bermacam-macam kegunaan yang dapat digunakan dalam menampilkan dan menghadirkan dari pengaturan yang berbeda, misalnya ACIS, STEP, Parasolid, IGES yang dapat melakukan pemasangan pada struktur penampang yang berbeda, sehingga interaksi yang mendemonstrasikan akan lebih mudah beradaptasi..
2. Auto Cad
Software Produk ini merupakan pemrograman sangat penting dimana dalam aplikasi ini perencanaan, penggambaran perhitungan dan pengukuran dilakukan dengan memanfaatkan program konfigurasi autocad yang merupakan PC support plan (computer aided design).
3. Fluent
Pemrograman yang sudah dikenal adalah aplikasi yang mampu memutuskan aliran dan batas perpindahan panas sesuai model yang ideal.
Dari ketiga pemrograman pendukung yang digunakan, Familiar programming merupakan aplikasi yang memberikan adaptabilitas penampang total bentuk kisi tertentu yang dapat diselesaikan dengan cara yang lebih sederhana. Strategi terbatas adalah salah satu teknik yang sudah dikenal yang penting untuk program CFD.
21
Menurut, Tuakia (2008) untuk menganalisa pola aliran udara dan suhu pada ruang bakar ada beberapa elemen utama CFD jika menggunakan software fluent:
Persamaan aliran fluida yang menggunakan hukum kekebalan fisika dalam bentuk matematis terdiri dari persamaan-persamaan dibawah ini:
- Hukum kekekalan massa steady state
Untuk keseimbangan massa elemen fluida dapat dinyatakan pada persamaan berikut:
Dimana, Laju kenaikan massa dalam elemen fluida = laju neto aliran massa kedalam elemen terbatas ( Mustafa, 2004). Jenis numerik dari kondisi ini dapat ditulis:
∂ρu
∂x + ∂(ρv)
∂y + ∂ρw
∂z = 0 ...( 1) Persamaan diatas disebut persamaan kontinuitas fluida karena mempunya sifat fluida yang tidak berubah terhadapwaktu 𝜕𝜌/𝜕𝑡 = 0. Dapat dilihat dimana, kecepatan arah x,y dan z adalah u,v, dan w. Dimensi dx, dy dan dz adalah massa jenis (kg/m3).
- Persamaan momentum steady state
Merupakan persamaan Navier-Stokes dalam bentuk-bentuk yang sesuai dengan metode Finite Volume. Dapat dituliskan pada persamaan dibawah ini:
Momentum arah x : 𝜌 [𝑢𝜕𝑢
𝜕𝑥+ 𝑣𝜕𝑢
𝜕𝑦+ 𝑤𝜕𝑢
𝜕𝑧] = 𝜕𝑝
𝜕𝑥+ 𝜇 [𝜕2𝑢
𝜕𝑥2+𝜕2𝑢
𝜕𝑦2+𝜕2𝑢
𝜕𝑧2]...(2) momentum arah y :
𝜌 [𝑢𝜕𝑣
𝜕𝑥+ 𝑣𝜕𝑣
𝜕𝑦+ 𝑤𝜕𝑣
𝜕𝑧] =𝜕𝑝
𝜕𝑦+ 𝜇 [𝜕2𝑣
𝜕𝑥2+𝜕2𝑣
𝜕𝑦2+𝜕2𝑣
𝜕𝑧2]...(3)
22
Momentum arah z : 𝜌 [𝑢𝜕𝑤
𝜕𝑥 + 𝑣𝜕𝑤
𝜕𝑦+𝜕𝑤
𝜕𝑧] =𝜕𝑝
𝜕𝑦+ 𝜇 [𝜕2𝑤
𝜕𝑥2 +𝜕2𝑤
𝜕𝑦2 +𝜕2𝑤
𝜕𝑧2]...(4)
Komponen kecepatan arah x, y dan z adalah u, v dan w. Dimensi dx, dy dan dz adalah massa jenis (kg/m3). µ adalah viskositas fluida sebuah konstanta proporsionalitas.
- Persamaan energi dalam kondisi steady stead
Menurut Pitts & Leighton , (2011) persamaan energi adalah persamaan yang diturunkan dari persamaan termodinamika yang mengatakan bahwa laju perubahan energi partikel fluida = laju penambahan panas kedalam partikel fluida ditambah dengan laju kerja yang diberikan pada partikel. Dapat dituliskan pada persamaan dibawah ini:
𝜌 [𝑢𝜕𝑇
𝜕𝑥+ 𝑣𝜕𝑇
𝜕𝑦+ 𝑤𝜕𝑇
𝜕𝑧] = 𝜌 [𝑢𝜕𝑢
𝜕𝑥 + 𝑣𝜕𝑢
𝜕𝑦𝑤𝜕𝑢
𝜕𝑧] + 𝐾 [𝜕2𝑢
𝜕𝑥2+𝜕2𝑣
𝜕𝑦2+
𝜕2𝑤
𝜕𝑧2]...(5)
METODOLOGI PENELITIAN
Waktu dan Tempat Praktikum
Penelitian ini dilakukan pada bulan Desember sampai dengan Februari 2021 di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara.
Bahan dan Alat
Adapun bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah plastik goni jenis HDPE (High-Density Polyethylene) dengan kapasitas 3 kg untuk setiap ulangan dan.limbah sekam padi sebagai bahan baku yang digunakan dalam proses pembakaran sebanyak 10 kg.
Sedangkan alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah:
1. Alat pirolisis plastik sekam padi tanpa modifikasi dan dengan modifikasi penambahan aliran udara yang digunakan untuk sebagai alat proses pirolisis.
2. Kondensor digunakan untuk mendinginkan asap cair agar tidak terjadi penguapan.
3. Termocouple sebagai pengukur suhu ruang bakar dan reaktor pirolisis.
4. Data logger yang digunakan untuk mencatat data panas dari 10 titik thermocouple. Data logger yang dilakukan pada penelitian sebelumnya yang tidak menggunakan pipa aliran udara
5. Laptop yang digunakan sebagai penyimpan data suhu dari thermocouple.
6. Timbangan analitik digunakan untuk menimbang hasil pirolisis
7. kunci inggris untuk memasang serta membongkar sambungan pipa spiral pada ujung reaktor dan ruang bakar.
8. Kunci 12, 13 digunakan membuka baut dan memasang reaktor.
24
9. Botol kaca sebagai wadah menampung minyak hasil pirolisis.
10. Ember untuk menampung hasil rendemen. .
11. Linggis yang digunakan untuk mengambil rendemen plastik.
12. Penjepit digunakan untuk merapatkan plat yang merenggang karena panas.
13. Aplikasi CFD untuk mengetahui distribusi suhu udara dan kecepatan aliran udara didalam ruang bakar
Metode Penelitian
Penelitian ini menggunakan metode eksperimentatif yaitu dengan melakukan pengamatan dengan 9 titik penyebaran suhu dan 1 titik di luar alat untuk suhu lingkungan, 18 titik lubang udara di dalam ruang bakar yang terdapat pada pipa spiral. Secara garis besar titik-titik pengukuran suhu ruang bakar ini dapat dilihat pada Gambar 2 dan posisi sensor suhu diruang bakar dijelaskan pada Tabel 3.
Metode penelitian ini juga dilakukan menggunakan 3 variasi kecepatan dengan pipa aliran udara yaitu 15 m/s, 25 m/s, dan 35 m/s dan satu variasi kecepatan tanpa pipa aliran udara yaitu 25 m/s dimana satu variasi kecepatan dilakukan sebanyak 6 kali pengulangan sehingga penelitian dilakukan sebanyak 24 kali pembakaran.
25
Gambar 2. Letak titik pengukuran suhu Posisi sensor suhu di ruang bakar dijelaskan pada Tabel 2.
Kode Sensor
Jumlah Posisi Fungsi
T1 1 Diatas bagian depan Ruang Bakar Sensor Suhu T2 1 Dibawah bagian depan Ruang
Bakar
Sensor Suhu T3 1 Diatas bagian kanan Ruang Bakar Sensor Suhu T4 1 Dibawah bagian kanan Ruang
Bakar
Sensor Suhu T5 1 Diatas bagian Belakang Ruang
Bakar
Sensor Suhu T6 1 Dibawah bagian Belakang Ruang
Bakar
Sensor Suhu T7 1 Diatas bagian kiri Ruang Bakar Sensor Suhu T8 1 Dibawah bagian kiri Ruang Bakar Sensor Suhu
T9 1 Ditutup Reaktor Sensor Suhu
T10 1 Diluar Ruang bakar Sensor Suhu
Perbedaan letak inlet dan outlet pada alat pirolisis sebelum dan sesudah modifikasi alat dapat dilihat pada 3 dan 4.
26
Rancangan Struktural Alat
Rancangan alat sebelum modifikasi adalah ruang pembakaran yaitu dengan tinggi 95 cm, diameter 50 cm. Reaktor dimasukkan 75 cm kedalam ruang pembakaran dan rancangan alat sesudah modifikasi adalah penambahan pipa aliran udara didalam ruang bakar berdiameter 1 inchi dengan 18 lubang ukuran 2,5 mm.
Gambar 3 . alat pirolisis plastic
sekam padi dengan aliran udara
Gambar 4 . alat pirolisis plastic sekam padi tanpa aliran udara
95 cm
2,5 mm
D=1 inch
Gambar 5 . ruang bakar sebelum modifikasi
Gambar 6. pipa aliran udara didalam ruang
bakar 50 cm
27
Pipa stainless stell berukuran satu inchi dipasang.pada dinding ruang bakar membentuk pola spiral yang pada pangkalnya tersambung langsung ke blower dan pada setiap 22 cm dibuat lubang dengan diameter 2,5 mm dengan jumlah total lubang mulai dari pangkal sampai ujung pipa berjumlah total sebanyak 18 lubang mengelilingi ruang bakar.
Prosedur pengujian
Prosedur pengujian alat yang.dilakukan pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Persiapan bahan
- Membersihkan limbah plastik yang akan dipirolisis
- Menimbang limbah plastik dengan berat yang sesuai dengan kebutuhan.
- Mengeringkan limbah sekam padi dengan sinar matahari atau oven agar mudah dilakukan pembakaran.
- Menimbang limbah sekam padi sesuai dengan berat yang telah ditentukan.
2. Pengujian alat
- Memasukkan plastik goni sesuai kebutuhan ke dalam reaktor - Menutup reaktor dengan rapat
- Menghubungkan lubang gas hasil pirolisis dengan pipa kondensor.
75 cm
Gambar 7. ruang bakar sesudah modifikasi
28
- Memasang thermocouple sesuai dengan titik yang sudah ditentukan.
- Memasukkan sekam padi sebanyak 2,5 kg dan 7,5 dari Hopper - Memasukkan reaktor pada posisinya.
- Menghidupkan api melalui pintu pengumpan panas.
- Memasang blower dan hubungkan dengan pipa saluran udara.
- Menutup rapat pintu pengumpan panas.
- Mencatat data temperatur pada reaktor dan ruang pembakaran dengan data logger yang terhubung dengan laptop.
- Memasukkan air dan es batu ke dalam kondensor.
Metode simulasi
1. Menggambar geometri alat pirolisis plastik-sekam padi pada software Solid Works 2014 dan software Gambit 2.2.30
2. Menentukan inlet dan.outlet udara pada alat pirolisis.
3. Menentukan kondisi.batasan dan domain model ruang bakar pirolisis, kemudian dilakukan proses grid (meshing) dengan interval tertentu.
4. Mengekspor gemetri yang telah dibuat ke program Fluent untuk dilakukan analisa lebih lanjut. Proses yang dilakukan pada program fluent antara lain:
o Mendefenisikan model dan ditentukan solver.
o Menentukan jenis fluida dan material penyusun bangunan alat.
o Menentukan kondisi.operasi (operating condition) yang terlibat.
o Memasukkan nilai kondisi-kondisi batas (boundary condition) terhadap domain yang sudah dibuat.dengan program Solid Works 2015.
o Melakukan proses.inisialisasi.
o Melakukan.proses iterasi.
29
o melihat tampilan hasil simulasi.dalam bentuk grid, kontur (suhu, dan kecepatan), vektor (suhu, kecepatan).
Parameter Penelitian
Parameter yang digunakan pada penelitian ada 2 secara umum yaitu data pengukuran langsung.(sensor dan alat ukur) dan perhitungan matematika. Data yang didapat dari pengukuran langsung adalah:
1. Suhu rata-rata
Pengukuran suhu menggunakan termokopel yang tersambung langsung ke data logger yang berfungsi untuk mendeteksi suhu pada ruang bakar dan reaktor.
Pengukuran dilakukan.pada beberapa titik di dalam ruang dan dinding ruang reaktor. Pengambilan data dilakukan setiap 30 menit sekali. Suhu yang digunakan yaitu pada kecepatan 15 m/s, 25 m/s, 35 m/s dan 25 m/s tanpa aliran udara.
2. Perbandingan hasil
- Perbandingan dilakukan dengan membandingkan rata rata suhu yang telah didapatkan sebelum dan sesudah modifikasi alat dengan kecepatan yang sama yaitu 25 m/s
- Perbandingan hasil rendemen dan abu sekam dengan kecepatan yang sama yaitu 25 m/s sebelum dan sesudah modifikasi alat.
Asumsi dalam Simulasi CFD
Beberapa asumsi yang sering ditemukan dalam proses simulasi yaitu:
1. Udara bergerak.dalam kondisi steady state.
2. Aliran udara dianggap turbulen.
3. Udara tidak.tertekan (incompresible, stabil).
30
4. Panas jenis,.konduktifitas dan.viskositas udara stabil.
5. Udara sekitar laboratorium.dianggap stabil selama simulasi.
6. kapasitas ruang bakar.dianggap 10 kg.
Kondisi Awal Dalam Simulasi CFD
Umtuk semua simulasi Proses yang dilakukan menggunakan kondisi awal yaitu:
1. Kecepatan udara awal adalah 25 m/s.
2. Permukaan suhu.dinding luar = suhu lingkungan (300 C ).
3. Tekanan udara.adalah 1 atm (101,325 kPa)
31
HASIL DAN PEMBAHASAN
Disribusi Suhu Udara dalam Ruang Bakar
Pengukuran Langsung, Simulasi Suhu dan Kecepatan Aliran Udara Pada Kecepatan 15 m/s Dengan Pipa Aliran Udara
1. Pengukuran langsung suhu udara dengan pipa aliran udara
Dari 6 percobaan yang dilakukan dengan kecepatan 15 m/s diperoleh hasil rata-rata peningkatan suhu terjadi pada rentang waktu pembakaran selama 3 jam sampai dengan 5,5 jam dan mengalami penurunan pada jam ke-6. Suhu rata rata tertinggi terdapat pada T2 dengan suhu rata-rata 4480C pada 4,5-5 jam sedangkan suhu rata-rata terendah terdapat pada T3 dengan suhu rata-rata 28,90C pada 0-0,5 jam. Seperti yang ditunjukan pada Tabel 3.
Tabel 3. Hasil pengukuran suhu rata-rata kecepatan 15 m/s Waktu
(jam) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10
0s 30,3 35,3 28,9 29,4 30,5 30,2 32,5 31,3 33,6 30,5 0,5 36,6 355,8 29,7 47,8 32,5 32,7 35,3 37,0 34,1 32,1 1 49,6 318,8 31,7 149,2 38,0 38,6 43,6 58,9 34,6 32,3 1,5 64,2 299,7 36,6 295,3 42,0 44,5 55,4 214,5 37,2 32,8 2 78,0 304,2 62,9 250,9 48,9 62,5 69,4 136,9 42,2 32,8 2,5 92,9 335,2 74,3 253,5 72,7 72,3 98,0 224,9 89,5 33,3 3 109,9 390,8 94,2 256,7 233,2 91,9 121,9 334,5 122,8 32,9 3,5 131,3 420,8 126,8 215,6 289,6 124,4 140,6 383,9 141,0 33,3 4 148,8 441,4 184,8 254,6 289,4 157,1 168,7 423,9 171,7 33,1 4,5 162,8 448,7 180,3 254,0 315,9 180,2 205,3 443,4 185,1 33,4 5 166,6 443,7 176,6 247,0 253,4 197,4 210,6 421,2 197,9 33,1 5,5 169,9 407,4 177,4 242,1 195,6 243,7 154,0 424,5 168,1 33,0 6 166,3 288,2 105,3 298,8 166,3 255,7 136,1 418,6 150,9 32,7
2. Simulasi Suhu dengan pipa aliran udara
Analisis CFD yang dilakukan adalah dengan memasukkan nilai suhu pengukuran langsung ke dalam input data simulasi. Suhu yang dimasukkan
32
termokopel. Pengukuran metode CFD yang dilakukan untuk melihat kontur suhu dan sebaran suhu yang terdapat didalam ruang bakar selama 6 jam. Input suhu yang digunakan adalah hasil pembakaran dengan kecepatan aliran udara 15 m/s, 25 m/s, 35 m/s dan kecepatan 25 m/s tanpa aliran udara. Tampilan suhu udara didalam ruang bakar disajikan dalam bentuk plot kontur, seperti yang disajikan pada Gambar 8.
Gambar 8. Simulasi suhu kecepatan 15 m/s dengan pipa aliran udara Pada Gambar 8 kontur suhu yang terdapat di dalam ruang bakar penyebaran suhu sudah mulai merata, namun masih terdapat panas yang tertumpuk dibagian ujung kanan ruang bakar, hal ini disebabkan karena kecepatan udara dibagian sebelah kanan atas ruang bakar masih tinggi, sehingga dibagian kanan atas terjadi penumpukan panas. Dimana semakin tinggi kecepatan aliran udara maka suhu juga akan semakin tinggi.
3. Simulasi kecepatan udara dengan pipa aliran udara
Kecepatan udara yang terlalu tinggi dan terlalu rendah di dalam ruang bakar dapat mempengaruhi sebaran suhu dan hasil pembakaran. Hal ini sesuai dengan
33
literature Purwantara (2007) yang menyatakan bahwa penambahan jumlah oksigen didalam reactor menyebabkan lebih bahan yang terbakar, sehingga bahan lebih cepat menjadi arang. Namun pembakaran yang dilakukan tidak merata di seluruh bagian ruang bakar sehingga dilakukan penambahan pipa aliran kemudian dianalisis CFD dengan menggunakan tiga variasi kecepatan yaitu 15 m/s, 25 m/s dan 35 m/s dengan pipa aliran dan 25 m/s tanpa aliran udara. Hasil Simulasi CFD kecepatan 15 m/s yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 9.
Gambar 9. Simulasi kecepatan aliran 15 m/s dengan pipa aliran udara Berdasarkan hasil analisis yang dikukan dengan menggunakan 3 variasi kecepatan yang berbeda dapat dilihat perbedaan gerakan angin didalam ruang bakar dimana pada Gambar 9 pergerakan angin bagian bawah dan di bagian atas ruang bakar pergerakan angin sudah mulai merata sehingga pada bagian itu lebih tinggi dapat terlihat pada Gambar 8 dimana dibagian tengah terdapat warna biru yang menandakan bahwa suhu pada daerah itu rendah.
34
Pengukuran Langsung, Simulasi Suhu dan Kecepatan Aliran Udara Pada Kecepatan 25 m/s Dengan Pipa Aliran Udara
1. Pengukuran langsung suhu udara dengan pipa aliran udara
Dari Tabel 4 menunjukkan bahwa setelah 0,5 jam pembakaran terjadi peningkatan suhu dan terus mengalami kenaikan dan pada 5 jam pembakaran suhu rata rata mengalami penurunan pada kecepatan umpan udara 25 m/s. Suhu rata rata tertinggi terdapat pada T2 dengan suhu rata-rata 4620C pada 0,5-1 jam sedangkan suhu rata-rata terendah terdapat pada T1 dengan suhu rata-rata 29,20C pada 0-0,5 jam.
Tabel 4. Hasil pengukuran suhu rata-rata kecepatan 25 m/s Waktu
(jam) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10
0 29,2 30,0 28,6 29,5 32,2 30,1 33,0 30,7 33,9 35,1 0,5 32,8 466,8 28,8 51,5 35,3 31,9 37,9 35,3 35,0 35,1 1 41,3 432,2 31,7 186,2 42,1 36,5 53,0 136,6 41,7 35,1 1,5 58,6 454,6 44,6 243,1 52,7 68,8 91,8 202,5 64,3 35,5 2 78,4 430,7 60,7 241,2 70,1 138,4 139,5 230,7 107,5 35,7 2,5 100,6 449,8 102,0 217,7 94,8 263,1 163,3 296,2 152,1 35,5 3 133,0 440,6 108,1 273,5 119,5 358,9 236,4 369,2 149,0 35,5 3,5 167,8 426,4 159,0 273,1 144,7 394,6 310,8 427,1 167,8 36,2 4 175,6 462,0 180,5 292,5 158,9 315,2 258,2 417,8 168,2 36,1 4,5 189,0 380,1 209,5 333,6 162,4 254,6 234,5 454,0 148,9 36,0 5 189,5 308,1 206,0 324,6 160,1 232,7 213,0 390,4 137,9 35,5 5,5 180,5 280,0 200,3 365,5 158,3 219,0 203,2 437,4 127,0 35,7 6 167,6 246,2 177,1 372,2 142,8 195,6 180,5 359,4 106,3 36,2
2. Simulasi Suhu dengan pipa aliran udara
Dari Gambar 10 menunjukkan bahwa sebaran suhu kecepatan 15 m/s lebih merata. Hal ini telihat dari warna biru didalam kecepatan 25 m/s lebih banyak pada bagian ruang bakar dimana semakin biru warna pada titik ruang bakar maka kecepatan udara mengalami penurunan kecepatan pada titik tersebut dan semakin
35
merah warna pada titik didalam ruang bakar maka semakin tinggi kecepatan udara.
Gambar 10. Simulasi suhu kecepatan 25 m/s dengan pipa aliran udara 2. Simulasi kecepatan udara dengan pipa aliran udara
Pada Gambar 11 pergerakan udara terlihat lebih sedikit hanya berada pada bagian bawah dan bagian atas ujung sehingga pada Gambar 10 terdapat warna biru yang lebih pekat yang membuktikan bahwa suhu pada bagian itu sangat rendah.
36
Pengukuran Langsung, Simulasi Suhu dan Kecepatan Aliran Udara Pada Kecepatan 35m/s Dengan Pipa Aliran Udara
1. Pengukuran langsung suhu udara dengan pipa aliran udara
Percobaan yang dilakukan dengan kecepatan 35 m/s didapatkan hasil bahwa kenaikan suhu terjadi pada 0,5 jam pembakaran dan terus mengalami kenaikan sampai 3,5 jam pembakaran dan mengalami penurunan setelah 4 jam pembakaran. Suhu rata-rata tertinggi terdapat pada T2 dengan suhu rata-rata 428,50C pada 3-3.5 jam sedangkan suhu rata-rata terendah terdapat pada T3 dengan suhu rata2 27,20C pada 0-0,5 jam.
Dari 3 variasi kecepatan yang digunakan maka dapat disimpulkan bahwa suhu tertinggi yang diperoleh dari hasil pembakaran terdapat pada kecepatan 25 m/s dengan suhu 4620 C dan proses kenaikan suhu terjadi pada rentang 0,5 – 4,5 jam dan mengalami penurunan pada 5-6 jam. Suhu tertinggi yang diperoleh pada kecepatan 15 m/s, 25 m/s dan 35 m/s adalah 4480C, 4620C dan 428,50C. Dari hasil tersebut maka telah terjadi proses dekomposisi kimia organik, dimana material mentah mengalami pemecahan struktur kimia menjadi fase gas. Hal ini sesuai dengan literatur Hartanto dan Alim (2014) yang menyatakan bahwa laju maksimum dalam proses dekomposisi sekam padi terjadi pirolisis berada pada suhu 5900K-6260K (3170C-3530C) untuk mendapatkan hasil pirolisis yang optimum.
37
Tabel 5. Hasil pengukuran suhu rata-rata kecepatan 35 m/s Waktu
(jam) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10
0 29,2 29,1 27,2 29,7 31,9 29,2 30,3 29,5 32,5 32,9 0,5 33,1 341,7 27,7 39,6 36,0 30,1 32,2 30,7 33,0 30,8 1 41,8 383,7 32,1 116,1 43,6 38,4 46,5 134,6 36,5 3,6 1,5 61,8 419,5 41,1 271,5 111,0 48,5 68,3 338,0 60,2 360,0
2 81,9 390,1 73,0 197,0 82,3 78,1 89,0 352,0 94,4 36,6 2,5 101,1 397,1 83,7 208,6 98,2 146,3 109,5 296,1 120,3 37,9 3 123,7 428,5 94,1 225,2 107,9 210,1 159,2 344,4 139,7 36,3 3,5 144,0 402,3 126,2 249,3 126,9 286,8 209,1 372,7 162,0 35,5 4 150,6 404,5 143,7 272,5 145,2 269,4 198,1 343,3 154,2 36,4 4,5 160,9 366,2 173,8 272,7 158,2 256,6 204,8 356,1 161,9 36,4 5 158,9 328,4 167,8 282,4 155,5 234,1 190,4 339,2 166,5 36,8 5,5 167,7 302,4 169,7 347,6 159,7 190,7 194,9 344,3 144,5 36,0 6 162,7 292,1 160,0 355,1 153,4 189,1 182,5 295,8 130,7 34,8
2. Simulasi Suhu dengan pipa aliran udara
Pada gambar 12 juga terlihat bahwa sebaran suhu didalam ruang bakar dengan kecepatan 35 m/s lebih merata dibandingkan kedua kecepatan lainnya. Hal ini dapat terlihat pada warna yang terdapat didalam ruang bakar dimana warna kuning yang terdapat didalam ruang bakar mendominasi hampir di seluruh bagian ruang bakar. Hal ini menunjukkan bahwa kecepatan aliran udara didalam ruang bakar menggunakan kecepatan 35 m/s hampir menyebar diseluruh bagian ruang bakar.
38
3. Simulasi kecepatan udara dengan pipa aliran udara
Pada Gambar 13 pergerakan udara hampir merata di bagian ruang bakar hal sehingga suhu didalam ruang bakar lebih rata. Pada Gambar 12 terlihat warna hijau dan kuning hampir mendominasi diseluruh bagian dan warna biru hanya terdapat sedikit dibagian tertentu saja. Namun dari ketiga hasil simulasi tersebut tidak terdapat perbedaan yang terlalu jauh. Berbeda dengan yang terlihat pada Gambar 15.
Gambar 13. Simulasi kecepatan aliran 35 m/s dengan pipa aliran udara Pada simulasi kecepatan aliran udara yang dilakukan menggunakan 3 variasi kecepatan udara maka perancangan yang dilakukan perlu modifikasi ulang dengan penambahan lubang pada pipa aliran udara dengan arah yang berlawanan dimana pada modifikasi sebelumnya arah lubang pada pipa mengarah ke reaktor plastik yang menyebabkan pergerakan udara lebih banyak dibagian dalam ruang bakar sedangkan pada bagian belakang pipa spiral terdapat titik-titik biru yang tidak terjangkau oleh aliran udara sehingga pada titik tersebut terdapat suhu yang rendah.
39
Pengukuran Langsung, Simulasi Suhu dan Kecepatan Aliran Udara Pada Kecepatan 25 m/s Tanpa Pipa Aliran Udara
1. Pengukuran langsung suhu udara tanpa pipa aliran udara
Berdasarkan Tabel di bawah pembakaran yang terjadi didalam ruang bakar kurang sempurna. Hal ini terlihat dari nilai T2 dan T4 yang mempunyai suhu yang sangat tinggi dibandingkan Nilai T yang lainnya. Suhu maksimum yang dihasilkan sebesar 5570 C.
Berdasarkan hasil pengukuran suhu di atas maka dapat disimpulkan bahwa pembakaran yang dilakukan dengan penambahan pipa aliran udara pembakarannya lebih merata. Hal ini sesuai dengan literature Purwantana (2007) yang menyatakan bahwa penambahan laju aliran udara dapat menyalurkan udara yang masuk secara merata sehingga pembakaran didalam ruang bakar lebih merata. Hal ini dapat dibandingkan pada Tabel 4 dan Tabel 6 dimana penyebaran suhu yang terdapat pada penambahan pipa aliran udara lebih merata dan suhu yang dihasilkan pada setiap titik pengukuran tidak berbeda jauh, berbeda dengan tanpa aliran udara yaitu suhu yang dihasilkan pada T2 dan T4 mempunyai nilai yang sangat tinggi dengan suhu maksimum sekitar 5000C dibanding dengan nilai T pada T7, T8 dan T1 yang relative sangat kecil.
