Bab I Pendahuluan I.1 Latar Belakang Pada saat ini, pengoperasian reaktor unggun diam secara tak tunak telah membuka cara baru dalam intensifikasi proses (Budhi, 2005). Dalam mode operasi ini, reaktor unggun diam dipertahankan secara sengaja dalam kondisi tak tunak untuk mencapai kinerja reaktor yang lebih baik. Teknik ini dapat memberikan keuntungan terhadap kinerja proses jika sebuah prosedur operasi yang tepat dapat dikembangkan. Sebaliknya, pengoperasian reaktor unggun diam secara tunak yang telah digunakan secara luas di industri proses dapat mengalami beberapa kendala dalam meningkatkan unjuk kerja yang optimal. Kendala tersebut berkaitan dengan tingginya konsumsi energi, terjadinya deaktivasi katalis, dan distribusi produk yang tidak fleksibel. Melalui intensifikasi proses, khususnya dengan metode operasi reaktor tak tunak, kinerja proses seperti konversi, selektivitas, konsumsi energi, nilai panas suatu aliran gas, dll dapat ditingkatkan. Berdasarkan kajian Silveston (Silveston dkk., 1995; Silveston, 1998) distribusi produk yang dihasilkan pada reaktor tak tunak dapat lebih baik daripada kondisi tunak dalam kasus-kasus tertentu. Reaktor tak tunak memiliki variabel proses yang bervariasi terhadap waktu. Variabel proses reaktor dapat berupa temperatur, tekanan, laju alir, dan konsentrasi. Kondisi tak tunak dapat diperoleh dengan cara modulasi komposisi atau pembalikan arah aliran (Reshetnikov dkk., 2003). Di samping itu, kombinasi reaktor aliran bolak-balik dengan modulasi komposisi atau reaktor aliran bolak-balik dengan umpan samping dapat digunakan sebagai piranti teknik ( engineering tool ) untuk mengendalikan distribusi produk dan memperbaiki produktivitas (Budhi dkk., 2004a; 2004b). Reaktor aliran bolak-balik (reverse flow reactor) atau disingkat RABB adalah reaktor unggun diam yang arah alirannya diubah secara periodik. RABB dapat meningkatkan konversi reaktor, memperbaiki distribusi produk, dan menurunkan kebutuhan energi. RABB merupakan salah satu metode dalam intensifikasi proses yang sedang digalakkan di industri proses pada saat ini. - 1 -
Katalis dan inert yang berada di dalam reaktor dapat berfungsi sebagai penyimpan panas dalam reaksi eksotermik karena kapasitas panasnya lebih besar dibandingkan dengan gas yang diumpankan maupun yang dihasilkan. Jika aliran dibalik arahnya secara periodik, maka aliran umpan tidak lagi memerlukan pemanas awal untuk mencapai temperatur mula reaksi (reaction ignition temperature). RABB berperan dalam menurunkan kebutuhan panas serta efisiensi energi. Unjuk kerja RABB bergantung pada parameter desain, seperti panjang reaktor, porositas unggun, dan juga parameter operasi seperti konsentrasi umpan, laju alir gas, dan frekuensi ubah aliran (Salinger dan Eigenberger, 1996). Peningkatan konversi atau selektivitas dalam reaktor tak tunak dapat terjadi akibat adanya perubahan konsentrasi pada permukaan aktif katalis (Silveston, 1998). Pada reaksi parallel, dinamika konsentrasi pada permukaan katalis ini akan mempengaruhi distribusi produk. Situasi yang sangat diharapkan adalah dinamika konsentrasi pada permukaan katalis sesuai dengan stokiometri reaksi yang diinginkan ketika reaksi berlangsung (Budhi, 2005). Pada percobaan reduksi katalitik NO x secara tak tunak, konversi NO x yang diperoleh lebih tinggi dibandingkan dengan kondisi tunak (Lietti dan Forzatti, 1994). Konsep RABB berkatalis ditemukan oleh Frank dan Kamenetski (1955) untuk reaksi eksotermik heterogen dan telah diaplikasikan pada proses oksidasi sulfur oleh Boreskov dan Matros (1983), karbon monoksida oleh Boreskov dkk. (1984), oksidasi komponen organik mudah menguap oleh Froment (1990), Thullie dan Bughardt (1990), lalu Neophytides dan Froment (1992), dan oksidasi amoniak oleh Matros (1985), lalu Budhi (2005). Pada reaksi endotermis, RABB dapat digunakan dengan membakar sebagian gas untuk memasok kebutuhan panas reaksi. Pada dekade terakhir, proses gasifikasi kembali mendapatkan perhatian para peneliti di seluruh dunia, terutama untuk mengolah biomassa sebagai sumber energi alternatif yang terbaharukan dan bahan kimia (misal metanol). Pengembangan teknologi gasifikasi biomassa di Indonesia sangat relevan - 2 -
untuk diterapkan dengan pertimbangan konsumsi energi (minyak bumi) makin meningkat, sedangkan sumber dayanya terbatas, dan ketersediaan beragam biomassa sebagai bahan baku sumber kimia dan energi. Dengan demikian, penerapan gasifikasi biomassa dapat mendorong penganekaragaman sumber energi, usaha swasembada energi, dan bahan kimia di suatu daerah. Implementasi gas produser yang nir-masalah baik dalam mesin gas maupun turbin gas mensyaratkan kandungan kontaminan yang rendah (tar, gas asam, HCl, sulfur, NH 3, partikel debu padat, dll). Tar dapat menyebabkan pembatasan penggunaan gas produser karena tar dapat menimbulkan kerak atau masalah lain pada peralatan proses di bagian hilir. Sejauh ini, penyingkiran tar secara fisik selalu menimbulkan masalah baru atau hanya memindahkan masalah ke sistem lain. Karena itu, implementasi yang berhasil dari teknologi gasifikasi sangat bergantung pada keefektifan dan efisiensi pengkonversian tar dalam gas produser. Di dalam penelitian ini, teknologi pengkonversi tar dalam gas produser menjadi gas-gas yang mampu meningkatkan kualitas gas produser akan ditelaah melalui kajian pemodelan dan simulasi. Keberhasilan konversi tar di dalam RABB sangat dipengaruhi oleh tercapainya kondisi dan metode operasi. Oleh karena itu, penelitian ini difokuskan pada pemenuhan kebutuhan panas untuk melangsungkan reaksi tar dengan membuat prosedur operasi RABB yang tepat dan pengembangan strategi yang meliputi switching time untuk penentuan daerah operasi. I.2 Perumusan Masalah Gas produser hasil gasifikasi biomassa mengandung sejumlah tar dan kontaminan yang perlu disingkirkan sebelum penggunaan lebih lanjut. Penyingkiran tar umumnya dilaksanakan secara fisik yang hanya memindahkan tar dari unit/proses satu ke unit/proses yang lain. Alternatif yang digagas dalam penelitian ini adalah melakukan konversi tar dengan menggunakan reaktor aliran bolak-balik untuk menghasilkan gas-gas yang berguna (CO, H 2 ) dalam meningkatkan kualitas gas produser. Reaktor aliran bolak-balik merupakan jenis reaktor yang tepat untuk - 3 -
melangsungkan reaksi pengkonversian tar yang bersifat endotermik ini karena kemampuannya dalam menyimpan energi di dalam reaktor. Kapabilitas penyimpanan energi tersebut dapat dicapai jika prosedur operasi reaktor yang tepat dapat diimplementasikan. Beberapa masalah-masalah yang berkaitan dan perlu dicari solusinya melalui penelitian adalah: a. Konfigurasi dan dimensi reaktor Konfigurasi reaktor dan dimensinya mempengaruhi konversi tar. Konfigurasi reaktor meliputi susunan material inert dan katalis. Dimensi reaktor meliputi diameter dan panjang material inert dan katalis. b. Prosedur operasi untuk reaksi yang bersifat endotermik Konversi tar merupakan reaksi yang endotermik. Oleh karena itu, teknik pemasokan energi perlu dikaji apakah dengan teknik membakar bahan bakar secara parsial dan pada posisi mana umpan zat pembakar masuk ke dalam reaktor? c. Skala waktu switching time yang tepat Karekteristik utama RABB terletak pada skala waktu switching time. Oleh karena itu, analisis skala waktu perlu dilakukan untuk menghasilkan konversi atau selektivitas terbaik. I.3 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan prosedur operasi RABB dalam mengkonversikan tar secara hemat energi dengan tetap menjaga nilai kalor gas produser yang tinggi. Sekalipun konversi tar ini bersifat endotermik, energi yang diperlukan cukup dipasok dari dalam sistem (reaktor) melalui pembakaran parsial gas produser. Banyaknya gas produser yang dibakar ini akan dikompensasi dari hasil reaksi tar yang menghasilkan CO dan H 2. Jumlah gas CO dan H 2 yang dihasilkan dari reaksi steam reforming tar diharapkan lebih banyak daripada yang dibakar, sehingga nilai kalor gas produser yang keluar dari RABB menjadi lebih besar. Selain itu, pengembangan prosedur operasi RABB dikatakan berhasil jika nilai kalor gas produser yang keluar dari RABB lebih tinggi daripada dioperasikan secara konvensional (steady state operasional). - 4 -
I.4 Ruang Lingkup Penelitian Dalam penelitian ini, ada 2 tahap utama yang akan dilakukan, yaitu pemodelan dan simulasi RABB, yang meliputi pemodelan dan simulasi propagasi panas dan konversi tar dalam gas produser. 1. Pemodelan dan Simulasi Propagasi Panas Parameter desain, yang meliputi konfigurasi dan dimensi reaktor (inertunggun-inert) diperoleh berdasarkan hasil terbaik dalam penghematan energi di reaktor fixed bed aliran bolak-balik yang telah dilakukan di laboratorium 1. Sumber panas diperoleh dari pemanas listrik yang diletakkan di unggun. Pengembangan model dan simulasi propagasi panas dilakukan untuk memvalidasi model dengan parameter desain reaktor yang ada di laboratorium dan menggunakan parameter operasi yang terbaik. Pengembangan model terutama ditujukan untuk mengamati efisiensi termal reaktor dalam menyimpan panas. Model menggunakan persamaan neraca panas dan tidak ada reaksi kimia. 2. Pemodelan dan Simulasi Konversi Tar dalam Gas Produser Model propagasi panas yang telah divalidasi dengan parameter desain reaktor yang telah sesuai dengan percobaan di laboratorium dikembangkan untuk pemodelan dan simulasi konversi tar dalam gas produser. Parameter operasi yang akan dianalisis yaitu, skala waktu switching time, teknik membakar gas produser, dan pada posisi mana umpan zat pembakar masuk ke dalam reaktor. 1 Bersama Rizaldi dan Patria (2007) - 5 -