LAMPIRAN A CONTOH PERHITUNGAN YIELD Batubara merupakan campuran banyak senyawa yang sifatnya sulit digeneralisasi (non-conventional). Karena itu komponen-komponen dan sifat kimiawi batubara perlu dikonversi menjadi senyawa-senyawa lain dengan sifat yang telah diketahui (conventional, yaitu sifat kimia dan fisik yang sudah tersimpan dalam data termodinamika). Konversi ultimate analysis batubara Tanjung Enim dan Air Laya (Tabel A. 1) menjadi senyawa-senyawa: C, CO, CH 4, H 2 S, H 2, H 2 O, N 2, dan abu disajikan dalam pasal ini. Konversi tersebut bertumpu pada neraca elemen (atom): C, H, O, N dan S, serta komponen abu. Tabel A. 1. Ultimate dan proximate analysis batubara Tanjung Enim db = dry basis, wb = wet basis Tanjung Batubara Enim Ultimate Analysis, % (dry basis) Abu 5,29 C 63,6 H 3,8 S 0,55 N 0,7 O 26,1 Cl 0,004 Proximate Analysis, % (dry basis) Inherent Moisture Conntent 18,7 (wb) Abu 5,29 VM 51,78 FC 42,93 Langkah pertama adalah memasukkan air-lembab (moisture) ke dalam komposisi dasar basah, atau konversi ultimate analysis dasar kering menjadi ultimate analysis dasar basah (contoh dengan batubara Tanjung Enim): a. C (dasar basah) = 63,60% x (100%-18,7%) = 51,71% b. H (dasar basah) = 3,80% x (100%-18,7%) = 3,09% c. N (dasar basah) = 0,70% x (100%-18,7%) = 0,57% d. S (dasar basah) = 0,55% x (100%-18,7%) = 0,45% e. O (dasar basah) = 26,10% x (100%-18,7%) = 21,22% f. Ash (dasar basah) = 5,29% x (100%-18,7%) = 4,26 % g. Chlorine (dasar basah) = 0,004% x (100%-18,7%) = 0,003 % Dengan basis perhitungan 1 kg batubara dasar basah, komposisi dan jumlah elemen C, H, O, N, S, dan abu disajikan pada Tabel A. 2. Pada konversi ini, moisture content masih diperhatikan sebagai H 2 O, bukan dikonversi menjadi atom H dan atom O. A-1
Tabel A. 2. Komposisi Batubara Tanjung Enim (dasar basah) Komponen Komposisi (% db) Komposisi (% wb) Massa (gram) H 2 O 18,70 187,0 C 63,60 51,71 517,1 H 3,80 3,09 30,9 N 0,70 0,57 5,7 S 0,55 0,45 4,5 O 26,10 21,22 212,2 Abu 5,29 4,26 42,6 Cl 0,004 0,003 0,3 Total 100,00 100,00 1000,0 Langkah selanjutnya adalah konversi ultimate analysis dasar basah menjadi senyawa-senyawa konvensional: CO, CH 4, H 2 S, H 2, H 2 O, N 2, ash dan C, seperti disajikan dalam Gambar A. 1 (basis perhitungan 1000 gram batubara dasar basah). H 2 O 18,70 C 51,71 H 3,09 N 0,57 S 0,45 O 21,22 Abu 4,26 Cl 18,70 Total 100,00% massa 1000 g Reaktor RYIELD Y CO, Y CH4, Y H2S, Y H2, Y H2O, Y N2, Y ash, Y C CO CH 4 H 2 S H 2 H 2 O N 2 Ash C Cl 2 Total 1000 g Gambar A. L.1. Pemodelan konversi batubara menjadi senyawa konvensional Perolehan produk (Yield) didefinisikan sebagai: massa senyawa Y = 100% (A. 1) massa batubara basah Jadi: Y CO = (massa CO yang terbentuk)/(massa batubara basah) Y CH4, = (massa CH 4 yang terbentuk)/(massa batubara basah).......... dan seterusnya. Dengan memperhatikan analisis derajat kebebasan soal, perhitungan neraca atom untuk menentukan Yield setiap komponen (Y i ) harus disertai dengan asumsi-asumsi tambahan, misalnya: a. semua ash dari batubara terkonversi menjadi ash b. semua atom N dari batubara terkonversi menjadi N 2 c. semua atom S dari batubara terkonversi menjadi H 2 S d. 70% massa C dari batubara terkonversi menjadi C e. 5% massa C dari batubara terkonversi menjadi CH 4 A-2
Dengan basis perhitungan massa batubara basah = 1000 gram, Yield masing-masing komponen adalah sebagai berikut. Abu = 42,6 g Y abu = 4,26% N 2 = 5,7 g Y N2 = 0,57% H 2 S 34 = x 4,5 g = 4,78 g 32 Y H2S = 4,78% C = 70% x 517,1 g = 361,97 g Y C = 36,20% CH 4 16 = 5% x 517,1 gx = 34,47 g 12 YCH4 = 3,45% Cl 2 = 0.3g Y Cl2 = 0,003% Neraca Komponen: Atom C: C batubara, masuk = C carbon, keluar + C CH4, keluar + C CO, keluar 12 517,1 = 361,97 + 25,855 + CO 28 28 CO = 129,175 x = 301,41 g YCO = 30,14% 12 Atom O: O batubara, masuk + O H2O, masuk = O CO, keluar + O H2O, keluar 212,2 + 16 16 187 16 x = 301,41x + H2 O 18 28 18 18 H 2 O = 206,19 x = 231,96 g YH2O = 23,20% 16 Atom H: H batubara, masuk + H H2O masuk = H CH4, keluar + H H2O, keluar + H H2, keluar 30,9 + 2 x 187 = 4 2 x 34,47 + x 231,96 + H2 18 16 18 H 2 = 17,29 g Y H2 = 1,73% Sebagai tambahan contoh model, perhitungan neraca atom untuk dua macam asumsi konversi C dari batubara menjadi C dan CH 4 disajikan dalam Tabel A. 3. Pada pemodelan lanjut masih banyak pengembangan yang dapat dilakukan terutama dalam analisis fixed carbon dan volatile matter yang dapat tersusun dari berbagai senyawa. Tabel A. 3. Distribusi Yield dengan dua asumsi distribusi C dari batubara Model 1 Model 2 Konversi C batubara menjadi C 70% 60% Konversi C batubara menjadi CH 4 5% 5% Komponen hasil konversi : Yield Abu 4,26% 4,26% C 36,20% 31,03% CO 30,14% 42,23% CH 4 3,45% 3,45% H 2 S 4,78% 4,78% H 2 1,73% 2,59% H 2 O 23,20% 15,43% N 2 0,57% 0,57% Total 100,00% 100,00% A-3
LAMPIRAN B SIMULASI GASIFIKASI BATUBARA MENGGUNAKAN ASPEN PLUS Pemodelan dan simulasi lanjut dilakukan dengan simulator proses Aspen-Plus dengan tujuh model subroutine (lihat Gambar B. 1): a. RSTOIC: untuk perhitungan neraca massa berdasarkan pada persamaan stoikiometri reaksi yang diberikan. b. RYIELD: untuk perhitungan neraca massa dan energi konversi batubara menjadi senyawa-senyawa konvensional (lihat lampiran A) c. RGIBBS: untuk perhitungan neraca massa dan energi, serta kesetimbangan reaksi kimia, berdasarkan perhitungan termodinamika minimisasi energi bebas Gibbs. d. FLASH2: untuk memisahkan vapor-liquid. e. HEATER: untuk menurunkan/memanaskan aliran. f. SPLITTER: untuk membagi aliran. g. COMPRESSOR: untuk menaikkan.menurunkan tekanan. Untuk menjaga kesetimbangan neraca energi dalam proses gasifikasi, subroutine diatas, di samping dihubungan dengan aliran massa, juga dilengkapi dengan aliran energi (lihat Gambar B. 1). Dengan cara ini, energi yang masuk atau keluar dari blok subroutine dapat dipenuhi secara seimbang. Gasifikasi dalam Aspen-plus diwakili oleh RSTOIC, FLASH2, RYIELD, dan RGIBBS. Aliran Qloss bertanda masuk ke dalam gasifier namun memiliki nilai negatif, pengubahan tanda aliran ini bertujuan agar besar Qloss dapat divariasikan. Gas produser keluaran gasifier dimanfaatkan panasnya dalam WHB, temperatur akhir gas produser di set sebesar 600 0 C dengan memanipulasi laju alir dari umpan WHB, temperatur 600 0 C merupakan temperatur kondensasi tar. Steam diproduksi pada WHB pada tekanan sesuai dengan tekanan gasifikasi. Steam yang dihasilkan dari WHB sebagian digunakan untuk proses gasifikasi sisanya masuk ke dalam steam turbine. WATER COAL WETCOAL DRYCOAL INBURN GP QYIELD RSTOIC FLASH2 QFLASH RYIELD RGIBBS OKSIGEN QSTOIC QLOSS Q Gambar B. 1. Contoh rangkaian proses gasifikasi batubara
Simulasi dilakukan dengan basis perhitungan laju alir batubara 100 kg/jam. Umpan yang digunakan adalah batubara Air Laya. Tiga fasilitas penting di dalam Aspen- Plus perlu digunakan sebagai bantuan dalam perhitungan simulasi proses gasifikasi. 1. Calculator dalam Aspen dapat digunakan untuk melakukan perhitungan sesuai dengan keinginan kita, misalnya mengubah satuan atau menghitung besaranbesaran yang belum dihasilkan langsung dari perhitungan Aspen.: 2. Sensitivity Analysis:: digunakan untuk melihat pengaruh dari suatu besaran terhadap besaran lainnya jika besaran tersebut divariasikan. 3. Design Spesicifation: yang merupakan perangkat pada Aspen-Plus yang dapat digunakan untuk men-spesifikasi suatu nilai atau besaran dengan memvariasikan besaran lain. Prosedur simulasi gasifikasi dengan menggunakan Aspen adalah sebagai berikut: Spesifikasi Umum 1. Klik untuk melanjutkan, kemudian OK. 2. Pada judul, tulislah Getting Started with Solids Simulation 1. 3. Pada Accounting, tulislah minimal satu huruf 4. Pada Stream Class field, klik dan pilih MIXNCPSD. Spesifikasi Komponen 1. Pada komponen ID fields, masukkan komponen yang terlibat. Dibagi sebagai berikut: Komponen konvensional; H2O, N2, O2, H2, CO, CO2, SO2, dan lain-lain Komponen solid; C Komponen nonkonvensional; Coal, ASH. Tipe komponen dipilih pada type field. 2. Pada Base method field, klik dan pilih IDEAL.
3. Pada Enthalpy Model name field, klik dan pilih HCOALGEN. Spesifikasi Aliran Batubara 1. Klik untuk melanjutkan, kemudian OK. 2. Mengisi spesifikasi aliran Coal terdiri atas: Kondisi aliran; T, P, laju alir, dan komposisi Particle size distribution (PSD) Component attributes: ultanal, proxanal, dan sulfanal Pengisian berturut-turut sebagai berikut.