Bab 4 Prosedur Pengujian, Pengambilan Data, dan Pengolahan Data

Transkripsi

1 Bab 4 rsedur engujian, engambilan Data, dan englahan Data 4.1 rsedur engujian Gasiikasi Bnggl Jagung Dalam melakukan pengujian gasiikasi bnggl jagung, terdapat prsedur yang harus diikuti. rsedur ini dimaksudkan untuk menghindari kecelakaan kerja ataupun kerusakan alat. rsedur ini juga dimaksudkan agar alat yang diuji dapat bekerja dengan baik, serta untuk memperleh hasil yang terpercaya. Berikut adalah prsedur yang harus dilakukan dalam pengujian: A. ersiapan sebelum melakukan gasiikasi 1. ersiapkan reaktr gasiikasi dengan baik. astikan blwer penghisap gas bahan bakar hasil gasiikasi telah terhubung dengan inverter. astikan inverter telah terhubung dengan listrik, namun kntak listrik dalam keadaan terbuka. 2. tng bnggl jagung kering sehingga berukuran 3x3 cm. 3. Siapkan abu atau arang hasil pembakaran sekam padi atau bnggl jagung. 4. Siapkan br untuk memicu pembakaran gas hasil gasiikasi. 5. Masukkan abu atau arang ke dalam reaktr sehingga memenuhi 2/3 dari tinggi tabung yang berada di bawah reaktr gasiikasi. 6. Nyalakan blwer penghisap gas, kemudian ukur kecepatan aliran udara pada nsel keluaran blwer. Catat harga kecepatan aliran, kemudian matikan kembali blwer. 7. Masukkan bahan bakar (campuran sekam padi dan bnggl jagung agar lebih cepat terbentuk bara yang merata). Sehingga ketinggian bahan bakar berada di mulut bawah tabung reaktr gasiikasi. 8. Bakar secarik kertas dengan api, lalu masukkan ke dalam reaktr gasiikasi. 22

2 9. Nyalakan inverter, kemudian atur rekuensi inverter agar blwer berputar pada kecepatan sedang dan terbentuk bara yang merata. 10. Setelah bara terbentuk di permukaan atas bahan bakar, masukkan bahan bakar (bnggl jagung) sehingga ketinggian bahan bakar di bawah bibir atas tabung reaktr gasiikasi. 11. Catat waktu dimulainya prses gasiikasi. B. rsedur yang dilaksanakan ketika prses gasiikasi sedang berlangsung 1. Nyalakan br. 2. Setelah asap hasil pembakaran bahan bakar mulai habis, bakar gas dengan cara memasukkan ujung br melalui lubang pemasukkan udara pada burner. 3. Atur rekuensi inverter agar gas hasil gasiikasi mengalir dengan kecepatan yang cukup, sehingga dapat bercampur baik dengan udara. ertahankan rekuensi inverter sehinga blwer berputar dengan kecepatan yang knstan. 4. Setelah gas mengalir dengan kecepatan yang cukup, gas akan terbakar dengan mudah dan terjadi api pembakaran yang stabil. 5. Catat waktu dimulainya pembakaran gas hasil gasiikasi. 6. Catat rekuensi yang ditunjukkan display pada inverter. 7. Matikan br guna mencegah terjadinya kebakaran. 8. Ambil sampel gas hasil gasiikasi menggunakan suntikan pengambil gas, melalui lubang yang telah disiapkan khusus. 9. Setelah sampel gas diambil, tutup jarum suntik menggunakan penutup karet. 10. Apabila terjadi gangguan yang menyebabkan api pembakaran mati, nyalakan kembali menggunakan br. 11. Setelah api meredup dan bara telah mencapai permukaan bahan bakar paling atas, hentikan pencatat waktu prses gasiikasi dan waktu pembakaran. 23

3 C. rsedur yang dilaksanakan setelah prses gasiikasi berakhir 1. Siramkan sedikit air guna mematikan bara yang terjadi. 2. Setelah bara padam, matikan kntak listrik inverter. 4.2 Data engujian Data-data yang dibutuhkan dalam melakukan analisis dan perhitungan eisiensi reaktr gasiikasi bnggl jagung, diperleh melalui pengujian yang dilakukan di labratrium Termdinamika AU-ITB. engujian dilakukan pada tanggal 13 September Data yang diperleh melalui pengujian yang dilakukan disajikan dalam tabel di bawah ini: Tabel 4.1. Data hasil pengujian Bahan bakar Bnggl jagung LHV bahan bakar kj/kg Massa bahan bakar Waktu pembakaran Kecepatan udara keluar nzzle Dimeter nzzle 3,7 [kg] 35 menit 19 detik 14 [m/s] 0,03 [m] Kandungan gas hasil gasiikasi dapat diketahui melalui pengujian gas chrmatgraphy. engambilan sample gas uji dilakukan ketika pengujian reaktr sedang berlangsung melalui sebuah lubang kecil pada nzzle reaktr gasiikasi. Gas sejumlah 1 cc diambil menggunakan sebuah alat suntik beserta jarum. Gas yang telah diperleh kemudian disuntikkan ke dalam alat gas chrmatgraphy. Selanjutnya alat gas chrmatgraphy akan memisahkan gas berdasarkan waktu retensinya dan menghasilkan data kandungan gas beserta raksi vlumenya. 24

4 bawah ini: Kandungan gas hasil uji gas chrmatgraphy disajikan dalam tabel 4.2 di Tabel 4.2. Kmpsisi gas hasil uji gas chrmatgraphy. N Gas Fraksi vlume 1 Karbn Diksida (CO 2 ) 14, Hidrgen (H 2 ) 8, Oksigen (O 2 ) 1, Nitrgen (N 2 ) 57, Metana (CH 4 ) 1, Karbn Mnksida (CO) 18,1290 Tabel 4.2 menunjukkan kmpsisi gas dalam raksi vlume. Dengan mengasumsikan bahwa campuran gas tersebut merupakan campuran gas ideal, maka raksi vlume gas tersebut dapat diasumsikan sama dengan raksi ml. Data kmpsisi gas yang diperleh dari uji gas chrmatgraphy dapat digunakan untuk mengetahui siat-siat isik gas. Dengan mengetahui kmpsisi dan siat siat isik gas hasil gasiikasi, berbagai perhitungan untuk mengetahui karakteristik reaktr gasiikasi dapat dilakukan. 4.3 englahan Data erhitungan Entalpi embakaran Gas Hasil Gasiikasi Kandungan energi dalam gas hasil gasiikasi dapat diketahui melalui perhitungan entalpi pembakaran pada burner. Hal ini dapat dilakukan dengan menganggap burner sebagai sebuah sistem tertutup, dan pembakaran stkimetrik gas hasil gasiikasi terjadi di dalam burner. 25

5 Temperatur gas hasil gasiikasi diasumsikan sebesar 480 K. Hal ini diperleh dari hasil pengukuran temperatur gas hasil gasiikasi reaktr milik Belni. Sedangkan tekanan gasnya adalah 1 atm (101,325 ka). Udara yang digunakan dalam pembakaran diasumsikan dalam tingkat keadaan standar yaitu pada temperatur 298 K dan 1 atm. eaksi pembakaran yang dilakukan menghasilkan prduk gas hasil pembakaran dengan temperatur 900 K dan tekanan 1 atm. Hal ini sesuai dengan skema sistem yang digambarkan dalam Gambar 4.1 di bawah ini: Gambar 4.1 Skema pembakaran pada burner. Dalam melakukan perhitungan nilai entalpi pada reaksi pembakaran yang terjadi, beberapa asumsi digunakan untuk menyederhanakan perhitungan. Asumsiasumsi tersebut diantaranya: 1. Batas vlume atur ditunjukkan leh garis putus-putus dalam Gambar Sistem berperasi dalam keadaan tunak. 3. erubahan energi kinetik dan ptensial diabaikan. 4. eaktan dan prduk merupakan campuran gas yang berlaku seperti gas ideal. 5. Udara pembakaran yang digunakan adalah udara kering. Diketahui reaksi pembakaran gas hasil gasiikasi adalah: a CO + b H 2 + c CH 4 + d CO 2 + e O 2 + N 2 + g (O 2 +3,76N 2 ) d CO 2 + h CO 2 + i H 2 O + j N 2 26

6 Keisien reaksi gas dapat diperleh dari data raksi ml sesuai dengan kandungan gas hasil uji gas chrmatgraphy, sehingga: a 0, b 0, c 0, d 0, e 0, , eaksi pembakaran menjadi: 0, CO + 0, H 2 + 0, CH 4 + 0, CO 2 + 0, O 2 + 0, N 2 + g (O 2 +3,76N 2 ) d CO 2 + h CO 2 + i H 2 O + j N 2 Dengan menerapkan knservasi massa terhadap massa karbn, hidrgen, ksigen dan nitrgen, maka reaksi pembakaran di atas dapat disetarakan. eaksi pembakaran kemudian menjadi: 0, CO + 0, H 2 + 0, CH 4 + 0, CO 2 + 0, O 2 + 0, N 2 + 0, (O 2 +3,76N 2 ) 0, CO 2 + 0, CO 2 + 0, H 2 O + 1, N 2 Berdasarkan asumsi yang digunakan, maka kesetimbangan energi yang terjadi pada sistem pada Gambar 4.1 di atas adalah: Entalpi reaktan Entalpi prduk + Q h h + Q Sehingga, -Q h - h Entalpi pembakaran h h - h Karena reaktan dan prduk merupakan suatu campuran gas dengan jumlah ml tertentu, maka dalam basis ml persamaan menjadi: h n h n h...1) 27

7 Berdasarkan deinisi yang diperleh dari reerensi [mran-saphir], maka entalpi spesiik ( h ) pada tingkat keadaan diluar tingkat keadaan standar adalah penjumlahan entalpi pembentukan standar dengan ( h ) perubahan entalpi spesiik antara tingkat keadaan standar dengan tingkat keadaan yang ditinjau ( h ). Sehingga: h ( T, p ) h + [ h ( T, p ) - h ( T re, p re )] h + h...2) Dengan meninjau reaksi pembakaran dan suku pertama dari persamaan 1), maka persamaan entalpi spesiik prduk adalah : n h 0, h + 0, CO , CO , H2O +...3) N 2 Dalam reaksi pembakaran yang terjadi, sebanyak 0, ml CO 2 dan 0, ml N 2 yang terkandung dalam gas bakar tidak bereaksi dengan udara. Dengan kata lain, tidak terjadi pembentukan 0, ml CO 2 dan 0, ml N 2. Sehingga dalam perhitungan yang dilakukan, entalpi pembentukan standarnya bernilai 0 ( h 0). Selain itu, entalpi pembentukan standar dari elemen-elemen yang bersiat stabil seperti N 2, O 2, H 2 dll. juga bernilai 0. Maka persamaan 3) menjadi: n h 0, h CO2 + 0, , CO , H2O h Harga entalpi pembentukan standar untuk CO 2 dan H 2 O diperleh dari tabel A-25. Sedangkan entalpi spesiik untuk N 2, CO 2 dan H 2 O diperleh melalui N2 28

8 interplasi pada T 900 K dari tabel A-23 [7]. Maka entalpi spesiik prduk adalah: n h 0, [( )] + 0, [ ( )] + 0, [ ( )] + 1, [( )] 3936,53 + (-72040,66) + (-24585,91) , ,19 [kj/kml] Sedangkan entalpi spesiik reaktan diperleh melalui persamaan: n h 0, , CO h + H 2 + 0, , CH 4 h + CO 2 + 0, , h + h O 2 N 2 + 0, h + 0, O 2 h + N 2 Udara yang direaksikan berada dalam tingkat keadaan standar, sehingga h 0. Selain itu, karena CO 2 yang terkandung dalam gas bakar tidak bereaksi maka entalpi pembentukan standarnya bernilai 0. Sehingga entalpi pembentukan standar untuk CO 2 beserta elemen-elemen yang bersiat stabil seperti N 2, O 2, H 2, bernilai 0. n h 0, h + 0, CO 0 + h H2 + 0, , CH h CO2 29

9 + 0, h O2 + 0, h N , [ 0 + 0] + 0, [ ] O N 2 2 Sehingga persamaan menjadi: n h 0, h + 0, CO h H2 + 0, , CH 4 h CO2 + 0, h O2 + 0, h N2 Harga entalpi pembentukan standar untuk CO, dan CH 4 diperleh dari tabel A-25. Sedangkan entalpi spesiik untuk CO, N 2, CO 2, O 2 dan H 2 O diperleh melalui interplasi pada T 480 K dari tabel A-23 [7]. Sedangkan entalpi spesiik untuk H 2 dan CH 4 diperleh melalui persamaan: h cp. T Harga c diperleh dari tabel A-21 [7]. Untuk T 480 K, p c untuk H 2 dan CH 4 p adalah: c p H 2 29,27 kj/kml.k c p CH 4 45,06 kj/kml.k Maka entalpi spesiik prduk adalah: n h 0, [ ( ) ] + 0, [29,27 ( )] + 0, [ ,06 ( )] + 0, [( )] + 0, [( )] + 0, [( )] 30

10 -19070, ,03 + (-1054,59) , , , ,28 [kj/kml] Sehingga entalpi pembakaran gas hasil gasiikasi dalam basis ml adalah: h n h n h (-71893,19 - (-15556,28)) [kj/kml] ,91 [kj/kml] Untuk mengetahui entalpi pembakaran dalam basis massa, maka perlu diketahui massa mlar rata-rata dari gas, yaitu: M n M rata rata i i 0, M CO + 0, M + 0, M + 0, M + 0, M + 0, M CO 2 0, (28,01) + 0, (2,016) + 0, (16,04) + 0, (44,01) + 0, (32) + 0, (28,01) 5,08 + 0, , , , , Maka entalpi pembakaran dalam basis massa adalah: h h h M ratarata ,91 28,03 h kj 2009,88[ kg ] H 2 O 2 CH 4 N 2 Nilai kalr bawah (LHV) dideinisikan sebagai panas yang dilepaskan pada saat bahan bakar bereaksi pada tingkat keadaan standar (25 C, 1 atm) dan prduk hasil pembakaran tersebut kembali ke tingkat keadaan standar [8]. Untuk menentukan besarnya nilai kalr bawah (LHV gas ) dalam basis massa, terlebih dahulu kita tentukan persen massa gas. 31

11 Tabel 4.3 Kmpsisi gas dalam persen massa N. Gas Fraksi Vlume Fraksi Massa 1 Karbn Diksida (CO 2 ) 14, ,04 2 Hidrgen (H 2 ) 8,0161 0,58 3 Oksigen (O 2 ) 1,1996 1,37 4 Nitrgen (N 2 ) 57, ,99 5 Metan (CH 4 ) 1,5823 0,91 6 Karbn Mnksida (CO) 18, ,11 Tabel 4.4 Nilai LHV Gas N. Gas LHV (Btu/lb) 1 Karbn Diksida (CO 2 ) - 2 Hidrgen (H 2 ) Oksigen (O 2 ) - 4 Nitrgen (N 2 ) - 5 Metan (CH 4 ) Karbn Mnksida (CO) 4347 Sumber : The CC ress Handbk Mechanical Engineering, CC ress, Bca atn, FL, 1998 Besar nilai kalr bawah dalam basis massa adalah: LHV gas [CH 4 ].(LHV CH 4 ) + [H 2 ].(LHV H 2 ) + [CO].(LHV CO) 32

12 (0, , , ) [Btu/lb] 1282,27 [Btu/lb]. 2,326 [kj/kg]. 1 [lb/btu] 2982,56 [kj/kg] Sebagai perbandingan hasil perhitungan, siat-siat isik gas juga diperleh dengan menggunakan bantuan stware HYSIS 3.2. Input yang digunakan dalam stware tersebut adalah kmpsisi, temperatur, serta tekanan gas. Temperatur gas diasumsikan sekitar 207 C, sedangkan tekanannya adalah 1atm (101,325 ka). Untuk penglahan data, siat isik yang dibutuhkan adalah kepadatan gas, dari HYSIS 3.2 diperleh: Densitas (ρ) [kg/m 3 ] Selain itu, dari HYSIS 3.2 juga dapat diketahui nilai kalr bawah (Lwer Heating Value) dari sample gas. Nilai kalr gas tersebut adalah: LHV gas 2975 [kj/kg] Dapat dilihat terdapat selisih yang jumlahnya tidak signiikan antara hasil perhitungan dengan cara manual dan dengan menggunakan bantuan stware HYSIS 3.2. Namun untuk hasil yang lebih akurat dipilih hasil yang diperleh dengan menggunakan bantuan stware HYSIS 3.2 untuk perhitungan selanjutnya Laju Knsumsi Bahan Bakar Laju knsumsi bahan bakar dideinisikan sebagai jumlah knsumsi bahan bakar (bnggl jagung) per satuan waktu pembakaran bahan bakar yang menghasilkan gas. Hal ini dirumuskan sebagai:. m uel[ kg] 3.7[ kg] m uel 6.286kg t [ hr] [ hr] hr gasiikasi Laju knsumsi bahan bakar adalah 6,286 [kg/jam]. 33

13 4.3.3 Laju Aliran Massa Gas Laju aliran massa gas hasil gasiikasi dapat diketahui dengan mengalikan densitas gas dengan debit aliran gas. Hal ini dapat dirumuskan sebagai berikut:. m... gas ρ. Q m ρ. A. V gas nzzle gas 2 3 π.(0.03 m) 3600s (0,7023)[ / ]. (14)[ / ] mgas kg m m s 4 1hr m gas 25,02[ kg / hr] Laju aliran massa gas keluaran reaktr adalah 25,02 [kg/jam] Daya Gas Gas yang dihasilkan memiliki kandungan energi per satuan massanya. Daya maksimum gas keluaran reaktr merupakan perkalian antara kandungan energi ini dikalikan dengan laju aliran massanya. Sehingga:. maks mgas LHVgas (25,02)[ kg / hr].[1 hr / 3600 s].(2975)[ kj / kg] maks maks 20,68kW Namun daya yang dihasilkan ini bukan daya keluaran sebenarnya, karena adanya energi panas yang terbuang (Q lss ) pada burner yang diakibatkan leh islasi sistem yang tidak sempurna. Energi panas yang terbuang (Q lss ) pada burner yang terjadi besarnya dapat diketahui dengan mengalikan besarnya entalpi pembakaran dengan laju aliran massanya.. Qlss mgas h Q (25,02)[ kg / hr].[1 hr / 3600 s].(2009,88)[ kj / kg] Q lss lss 13,96kW 34

14 Besarnya daya sebenarnya ( sebenarnya ) adalah pengurangan dari daya gas () dengan energy panas yang terbuang (Q lss ). sebenarnya maks - Q lss 20,68 kw - 13,96 kw 6,72 kw Dari hasil perhitungan di atas, kita dapat menentukan besarnya nilai eisiensi burner. Besarnya eisiensi burner adalah : η burner sebenarnya maks.100% η burner 6,72.100% 32,5% 20,68 Eisiensi burner adalah sebesar 32,5% Eisiensi Gasiikasi Eisiensi knversi energi bnggl jagung melalui gasiikasi adalah: η η η η gasiikasi gasiikasi gasiikasi gasiikasi maks x100%. mbahanbakar LHV 20,68kW x100% 6, 286[ kg / hr].[1 hr / 3600 s].15400[ kj / kg] 20,68kW 26,8901kW 76,9% bahanbakar x 100% Eisiensi gasiikasi adalah sebesar 76,9%. 35

15 4.4 Analisis Hasil perhitungan yang diperleh belum menunjukkan daya dan eisiensi reaktr gasiikasi yang sebenarnya. Hal ini disebabkan karena beberapa hal, diantaranya adalah: 1. Banyaknya asumsi yang digunakan untuk menyederhanakan perhitungan. 2. Belum terpasangnya alat ukur untuk memperleh data-data yang diperlukan. 3. engambilan data hanya dilakukan satu kali sehingga keterulangannya masih belum teruji. 4. Belum adanya standar perancangan, prsedur pengujian serta perhitungan untuk reaktr gasiikasi bimassa. Secara umum, perhitungan yang dilakukan pada sub-bab sebelumnya menunjukkan harga eisiensi dan daya sistem gasiikasi yang cukup baik. eaktr gasiikasi mempunyai eisiensi sebesar 76,9%. Sedangkan daya nett yang dihasilkan sebesar 6,72 kw. Berdasarkan hasil perhitungan yang ditunjukkan, reaktr gasiikasi dinilai cukup baik untuk diaplikasikan di industri kecil dan menengah. Selain karena memiliki daya dan eisiensi yang cukup baik, reaktr gasiikasi ini terbukti mampu memanaatkan energi yang terkandung dalam bimassa secara lebih eekti dibandingkan pembakaran langsung. Hal ini disebabkan sistem gasiikasi mempunyai keunggulan yaitu pembakaran yang terjadi relati lebih bersih serta kemudahan dalam pemanaatan bahan bakar dalam bentuk gas. engamatan secara visual menunjukkan api pembakaran gas hasil gasiikasi bnggl jagung berwarna merah. Hal ini menunjukkan terjadinya pembakaran yang tidak sempurna dalam burner yang digunakan. Selain itu, api pembakarannya pun tidak stabil yang disebabkan karena prduksi gas yang tidak stabil. 36