PENGARUH JUMLAH NOZEL DISTRIBUTOR TERHADAP KINERJA FLUIDIZED BED GASIFIER Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I pada Jurusan Teknik Mesin Oleh : Riski Elis Saputra D200110085 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2017
HALAMAN PERSETUJUAN PENGARUH JUMLAH NOZEL DISTRIBUTOR TERHADAP KINERJA FLUIDIZED BED GASIFIER PUBLIKASI ILMIAH oleh: Riski Elis Saputra D200110085 Telah diperiksa dan disetujui untuk di uji oleh: Dosen Pembimbing Nur Aklis, ST., M.Eng.
HALAMAN PENGESAHAN PENGARUH JUMLAH NOZEL DISTRIBUTOR TERHADAP KINERJA FLUIDIZED BED GASIFIER OLEH Riski Elis Saputra D200110085 Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Pada hari Senin, 23 Januari 2017 dan dinyatakan telah memenuhi syarat Dewan Penguji : 1. Nur Aklis, ST., M.Eng. ( ) (Ketua Dewan Penguji) 2. Ir. Sartono Putro, MT. ( ) (Anggota I Dewan Penguji) 3. Ir. Sunardi Wiyono, MT ( ) (Anggota II Dewan Penguji) Dekan Ir. Sri Sunarjono, MT.,Ph.D.
PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam publikasi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan disuatu perguruan tinggi dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan orang lain, kecuali secara tertulis diacu dalam naskah dan disebutkan dalam daftar pustaka. Apabila kelak terbukti ada ketidakbenaran dalam pernyataan saya di atas, maka akan saya pertanggungjawabkan sepenuhnya.. Surakarta, Januari 2017 Penulis Riski Elis Saputra D200110085
PENGARUH JUMLAH NOZEL DISTRIBUTOR TERHADAP KINERJA FLUIDIZED BED GASIFIER Abstrak Pembakaran bahan bakar gas lebih menguntungkan dari bahan bakar padat karena menghasilkan pembakaran yang lebih bersih, produk gas dapat dibuat dengan cara fluidized bed gasifier dengan bahan bakar sekam padi. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh jumlah nozel distributor terhadap kinerja fluidized bed gasifier pada kecepatan 1,3 m/s yang meliputi kecepatan minimum fluidisasi, temperatur reaktor, pengaruh jumlah gas yang dihasilkan dan waktu nyala efektif. Penelitian diawali dengan pembuatan alat fluidized bed gasifier sekam padi, kemudian melakukan pengujian pebakaran dengan mengatur distributor udara jumlah nozel 3, jumlah nozel 5, dan jumlah nozel 7. Data yang diukur dalam penelitian ini adalah mengukur kecepatan minimum fluidisasi, temperatur reaktor, pengaruh jumlah gas yang dihasilkan dan waktu nyala efektif. Hasil penelitian menunjukkan jumlah nozzel pada distributor mempengaruhi kinerja alat fluidized bed gasifier semakin banyak jumlah nozel kecepatan minimum yang dihasilkan semakin rendah, yaitu pada distributor jumlah nozel 7 sebesar 0,9 m/s. Untuk temperatur tertinggi didapatkan dari distributor jumlah nozel 7 yaitu 465,5 C. Sedangkan untuk waktu nyala efektif terlama distributor jumlah nozel 3 didapatkan selama 65 menit. gas yang dihasilkan terbanyak adalah distributor jumlah nozzel 7 sebesar 1561,4269 Kj. Kata kunci : fluidized bed gasifier, sekam padi, jumlah nozzel distributor, kinerja reactor Abstract The burning of gas fuel is more profitable than solid fuel because it produces a cleaner combustion, gas products can be made by way of a fluidized bed gasifier with rice husk fuel. This research aims to know the influence of the number of nozzles distributor fluidized bed gasifier on performance at the speed of 1,3 m/s which include minimum speed fluidization, the reactor temperature,time effective flame and the influence of the amount of gas produced. The research began with the manufacture of tools of fluidized bed gasifier rice husk, then do the test firing by setting the air distributor number of nozzle 3, nozzle 5, nozzle 7. The data measured in this research is to measure the speed of a minimum fluidization, reactor temperature, influences the amount of gas produced from the time effective flame. The results showed the number of nozzles on a distributor appliance affect the performance of fluidized bed gasifier the greater number of nozzles the minimum speed that produced the lower number 7 nozzles of 0,9 m/s. For the highest temperature is obtained from the distributor number of nozzles 7 of 465,5ºC. While for the longest time effective flame distributor 3 nozzles amount obtained during the 65 minute. The amount of gas produced is the largest distributor of the number of nozzles 7 of 1561.4269 Kj. Keyword : Fluidized bed gasifier, rice husk, the number of distributor nozzle reactor performance
1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pembakaran bahan bakar fosil untuk keperluan manusia dalam memanfaatkanya mempunyai beberapa kekurangan. Bahan bakar fosil yang tersedia sangat terbatas jumlahnya dan akan habis dalam kurun waktu tertentu karena bahan bakar fosil adalah bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui. Proses pembakaran bahan bakar fosil juga melepaskan sejumlah besar karbon dioksida dan gas rumah kaca ke lingkungan. Gas-gas ini bertindak seperti selimut yang menghangatkan permukaan bumi. Hasilnya adalah peningkatan suhu global yang berdampak pada perubahan iklim terkait dengan banjir dan hujan deras di berbagai daerah, serta lebih sering terjadi kekeringan dan gelombang panas yang parah. Solusi mengatasi masalah tersebut supaya tidak lebih parah lagi dapat dipakai energi terbarukan. Sumber energi terbarukan merupakan bahan yang dapat menghasilkan energi dan bahan tersebut dapat diperbarui secara terus menerus sehingga keberadaanya di alam ini tidak akan habis sebagai contoh adalah biomassa. Biomassa merupakan bahan organik yang didapatkan melalui proses fotosintetik pada tumbuhan baik berupa produk maupun buangan, meliputi tanaman, pepohonan, rumput, dan limbah pertanian. Menurut departemen pertanian, limbah dalam proses penggilingan padi yang terbesar adalah sekam padi, biasanya diperoleh sekam sekitar 20-30% dari bobot gabah, hasil lainya dedak antara 8-12% (Tajali 2015). Sekam dalam persentase yang tinggi tersebut dapat menimbulkan problem lingkungan. Sekam padi jika dibakar secara langsung mempunyai dampak meningkatkan jumlah emisi gas rumah kaca penyebab perubahan iklim, seperti damak negatif dari pembakaran bahan bakar fosil. Solusi dari masalah biomassa limbah pertanian berupa sekam padi tersebut adalah dengan memanfaatkannya untuk diproses dengan cara gasifikasi. Gasifikas sendiri seara umum adalah suatu teknologi proses yang mengubah bahan bakar padat menjadi gas, menggunakan udara atau oksigen yang terbatas. Gas yang dihasilkan dari gasifikasi adalah CO, CO₂, H₂, CH₄, TAR dan juga arang. Jenis gasifikasi yang banyak dikembangkan adalah fluidized bed. Fluidisasi merupakan proses dimana benda partikel padatan diubah menjadi fase yang berkelakuan seperti fluida cair melalui kontak dengan gas atau cairan (Kunni dan Levenspiel 1969). Fenomena ini terjadi pada media yang disebut dengan fluidized bed. Dimana fluidized bed merupakan suatu bejana yang berisi partikel padat yang dialiri fluida dari bawah bejana. Proses fluidisasi terjadi ketika gaya drag dari partikel sebagai akibat dari aliran fluida yang mengalir keatas melebihi gaya gravitasi dan gaya antar partikel. Kinerja dari reaktor fluidisasi dipengaruhi oleh desain, salah satunya adalah pemilihan distributor dan jumlah lubang dari distributor.
Bentuk distributor akan berpengaruh terhadap karakteristik hidrodinamik yang berpengaruh terhadap gas yang dihasilkan. Seperti eksperimen yang dilakukan oleh grohse, zens dan othmer menunjukkan bahwa jumlah lubang pada distributor udara akan berpengaruh terhadap ukuran gelembung dan distribusi gelembung (Kunii dan Levenspiel, 1969, Bormann dan Ragland, 1998). 1.2 Tujuan penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh jumlah nozel distributor terhadap kenerja fluidized bed gasifier meliputi: a. Kecepatan minimum fluidisasi. b. Temperatur reaktor. c. Waktu nyala efektif. d. Kalor terpakai. 1.3 Batasan masalah Penelitian ini dibatasi pada pengembangan fluidized bed gasifier dengan variasi distributor udara yaitu : a. Reaktor Fluidized bed gasifier tidak kontinyu. b. gas yang terkonversi untuk mendidihkan air. c. Sekam padi dari Sukoharjo. d. Pasir yang digunakan adalah pasir silika dari Ceper Klaten. e. Gamping atau batu kapur yang digunakan berasal dari Makam Haji Sukoharjo. f. Kecepatan minimum fluidisasi didefinisikan sebagai kecepatan superficial udara dalam bed dan ditentukan dengan metode pengamatan terhadap tekanan di bed. g. Laju reaksi diukur sampai temperatur api akhir. h. Keceatan udara yang digunakan 1,3 m/s i. Massa bahan bakar yang digunakan 2 kg j. Alat yang digunakan memunyai tinggi reaktor 1230 mm dengan diameter 160 mm
2.METODOLOGI PENELITIAN Tahapan ini berisi prosedur dan pelaksanaan penelitian. Gambar 1. Diagram Alir Penelitian 3.HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Hasil Pengujian Minimum Fluidisasi Hasil uji minimum fluidisasi bertujuan menentukan kecepatan udara yang digunakan dan juga unruk mengetahui karakter dari proses fluidisasi tersebut, apakah proses tersebut fix bed jika udara kurang nilai minimum, bubbling jika kecepatan udara diatas nilai kecepatan minimum tetapi tidak terlalu jauh dar nilai minimum yang didapatkan dan circuating
Beda Tekanan (cm H₂O) Beda Tekanan (cm H₂O) Beda Tekanan Bed (cm H₂O) jika kecepatan yang digunakan jauh melebihi kecepatan miimum yang didapatkan. 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Kecepatan udara superficial (m/s) Periode laju naik Periode laju menurun Gambar 2 Grafik hubungan kecepatan dengan tekanan pada nozzel 3 6 5 4 3 2 1 Periode laju naik Periode laju menurun 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Kecepatan udara superficial (m/s) Gambar 3 Grafik hubungan kecepatan dengan tekanan pada nozzel 5 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Kecepatan udara superficial (m/s) Periode laju naik Periode laju menurun Gambar 4 Grafik hubungan kecepatan dengan tekanan pada nozzel 7
Temperatur ( C) Gambar 2 Menunjukkan grafik karakteristik kecepatan minimum fluidisasi dengan distributor jumlah nozzel 3. Dengan cara menarik garis horizontal ke kiri pada titik yang menunjukkan kecepatan bed konstan hingga berpotongan dengan garis miring kemudian titik perpotongan tersebut ditarik garis vertikal ke bawah kecepatan minimum fluidisasi ditentukan. Dengan cara ini di dapat kecepatan minimum fluidisasi distributor jumlah nozzel 3 sebesar 1,1 m/s. Gambar 3 menunjukkan kecepatan minimum fluidisasi 1 m/s. Gambar 4 menunjukkan kecepatan minimum fluidisasi 0,9 m/s. Penelitian ini didapatkan semakin banyak jumlah nozzel maka kecepatan minimum semakin rendah, hal ini juga dipengaruhi oleh matrial bed berupa kapur atau gamping. 3.2 Hasil Pengujian Temperatur Reaktor 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Waktu (menit) Temperatur Reaktor Nozzel 3 Temperatur Reaktor Nozzel 5 Temperatur Reaktor Nozzel 7 Gambar 5 Grafik hubungan antara waktu dan temperatur reaktor Gambar 5 Menunjukkan grafik hubungan temperatur reaktor terhadap waktu dari proses pembakaran tiga variasi distributor dengan kecepatan udara 1,3 m/s. Pada percobaan pembakaran sekam padi dengan distributor jumlah nozzel 3 grafik menunjukkan temperatur awal reaktor sebesar 31,5 C dan menunjukkan temperatur tertinggi pada 358,7 C pada menit ke 60. Pada percobaan distributor jumlah nozzel 5 temperatur awal
Temperatur Api ( C) reaktor 32,9 C dan menunujukkan suhu tertinggi pada 432,8 C pada menit ke 54. Sedangkan temperatur awal reaktor dengan distributor jumlah nozzel 7 menunjukkan suhu awal 32,3 C dan mencapai temperatur tertinggi 465,5 C pada menit ke 50. Pemanasan awal pada bed yang berupa pasir silika bertujuan untuk meratakan panas pasir sebelum proses pembakaran bahan bakar didalam reaktor berlangsung. 3.3 Hasil Pengujian Waktu Nyala Efektif 400 350 300 250 200 150 100 50 Nozzel 3 Nozzel 5 Nozzel 7 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Waktu (menit) Gambar 6 Grafik hubungan waktu dengan temperatur api Pada gambar 6 Menunjukkan grafik hubungan temperatur api ketiga distributor dengan waktu, dapat dijelaskan bahwa jumlah nozzel distributor berpengaruh terhadap temperatur pembakaran yang dihasilkan. Temperatur pembakaran yang tertinggi didapatkan pada distributor jumlah nozzel 7 yaitu sebesar 385,2 C pada menit ke 48 dengan waktu nyala efektif selama 58 menit sedangkan distributor dengan jumlah nozzel 5 temperatur tertinggi 355,2 C pada menit ke 50 dengan waktu nyala efektif selama 62 menit dan distributor jumlah nozzel 3 pada percobaan pembakaran memiliki temperatur tertinggi 300,7 C pada menit ke 54 dengan waktu nyala efektif selama 65 menit. Dari hasil tersebut dapat diketahui bahwa perbedaan temperatur api ini disebabkan oleh perbedaan jumlah nozel pada distributor yang
Temperatur Air ( C) mempengaruhi udara yang masuk ke reaktor dan juga berpengaruh terhadap kandungan gas yang dihasilkan. Semakin banyak jumlah nozel maka semakin rata pembakaran didalam reaktor sehingga memaksimalkan produk gas yang dihasilkan. 3.4 Hubungan temperatur air terhadap waktu tiga variasi jumlah distributor. 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Waktu (menit) Nozzel 3 Nozzel 5 Nozzel 7 Gambar 7 Grafik hubungan temperatur air terhadap waktu pada tiga variasi jumlah distributor. Gambar 7 Menunjukkan grafik hubungan temperatur air terhadap waktu pendidihan air untuk gasifikasi menggunakan fluidized bed dengan bahan bakar sekam padi pada distributor jumlah nozzel 3 pendidihan awal terjadi pada menit ke 24 sampai menit ke 65, sisa air 490 ml dari 1 liter air. Pada distributor jumlah nozzel 5 pendidihan awal terjadi pada menit ke 18 sampai menit ke 62, sisa air 470 ml dari 1 liter air. Sedangkan untuk distributor jumlah nozzel 7 pendidihan awal terjadi pada menit ke 12 sampai menit ke 58, sisa air 440 ml dari 1 liter air. Urutan waktu pendidihan air tercepat pada percobaan ini adalah dengan distributor jumlah nozzel 7 yaitu dimenit ke 12 menit, sedangkan untuk terlama adalah distributor dengan jumlah nozzel 3 yaitu dimenit 24
Kalor terpakai (kj) menit. Hal ini dikarenakan tidak stabil dan meratanya proses pembakaran sekam padi dengan distributor jumlah nozzel 3 didalam reaktor karea jumlah udara yang masuk tidak bisa kesemua sisi bed atau tidak merata karena hanya 3 nozel distributor yang digunakan sehingga pembentukan produk gas menjadi kurang stabil. 4.5 Kalor terpakai ketiga jumlah nozel pada distributor 1580 1560 1540 1520 1500 1480 1460 1440 1420 1400 1380 Nozel 3 Nozel 5 Nozel 7 Gambar 8 Grafik hubungan jumlah nozel distributor dengan kalor terpakai. Gambar 8 Menunjukkan perbandingan kalor terpakai ketiga distributor yaitu distributor jumlah nozel 3, distributor jumlah nozel 5, dan distributor jumlah nozel 7. Dari gambar diketahui bahwa kalor terpakai setiap percobaan berbeda pada percobaan menggunakan distributor jumlah nozel 3 kalor terpakai sebesar 1448,5941 Kj sedangkan percobaan dengan menggunakan distributor jumlah nozel 5 didapatkan nilai kalor terpakai sebesar 1493,7296 Kj dan percobaan dengan menggunakan distributor jumlah nozel 7 dengan 2 kg sekam padi didapatkan nilai kalor terpakai sebesar 1561,4269 Kj. Sehingga didapatkan nilai kalor terpakai terbesar adalah pada percobaan dengan menggunakan distributor jumlah nozel 7 didapatkan nilai sebesar 1561,4269 Kj. Hal ini dipengaruhi oleh waktu pendidihan air yang lebih lama dibanding yang lainya, serta massa uap yang diuapkan pun lebih
besar, sehingga kalor yang digunakan untuk mendidihkan air sebanyak 1 liter lebih besar. 4.Kesimpulan Dari hasil penelitian dan pembahasan pengaruh distributor jumlah nozzel terhadap nilai minimum fluidisasi, temperatur reaktor, waktu lama pendidihan air dan jumlah gas yang terkonversi adalah sebagai berikut : 1. Pengaruh semakin banyak jumlah nozzel pada distributor akan menyebabkan kecepatan minimum fluidisasi semakin turun. 2. Semakin banyak jumlah nozel yang berada pada distributor maka semakin tinggi pula temperatur reaktornya. Temperatur reaktor tertinggi pada penelitian ini 465,5 C, pada distributor jumlah nozel 7. 3. Semakin banyak jumlah nozzel pada distributor maka waktu nyala efektifnya semakin cepat 4. Penelitian ini menunjukkan bahwa jumlah nozzel pada distributor berpengaruh terhadap jumlah gas yang dihasilkan/kalor terpakai. Semakin banyak jumlah nozel pada distributor maka jumlah gas yang dihasilkan juga semakin banyak karena reaksi berlangung merata. DAFTAR PUSTAKA Akbar. 2015. Studi Eksperimen Gasifikasi Menggunakan Fluidized Bed Gasifier Berbahan Bakar Sekam Padi, Serbuk Gergaji Kayu Jati Dan Serbuk Gergaji Kayu Sengon Penghasil Syngas. Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta. Aklis. 2013. Studi Eksperimental Pengaruh Lubang Udara Terhadap Karakteristik Gelembung Pada Bubbling Fluidized Bed Dengan Variasi Partikel Bed (Tesis). Yogyakarta: Universitas Gadjah Mada. Aklis, Nur, Riyadi, M.a., Rosyadi. G., Cahyanto, W.T. 2015. Studi Eksperimen Konversi Biomassa Menjadi Syngas Pada Reaktor Bubbling Fluidized
Bed, Prosiding Seminar Nasional Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi. 2015, 19 Desember 2015. STTNas Yogyakarta. Basu, Prabir. 2010. Biomass Gasification and Pyrolisis Practical Design and Theory. USA: Elsevier. Borman, G.L and Ragland, K. W. 1998. Combustion Engineering. McGraw-Hill, Singapura. Kunii. D. and Levenspiel. O. 1969. Fluidization Engineering. John Wiley and Sons, Inc., New York. Nurman Alwin,2011. Studi Karakteristik Pembakaran Biomassa Tempurung Kelapa pada Fluidized bed Combustor Universitas Indonesia Dengan Partikel Bed Berukuran Mesh 40-50. Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II. MODUL 2.13 Fluidisasi. Departemen Teknik Kimia ITB (diakses pada 11 september 2015). Puntohari,R.D., 2009. Potensi Gheothermal vs Minyak Bumi. http://rovicky.blogspot.com, 17 juni 2009. Tajali, Arief, 2015. Panduan Penilaian Potensi Biomassa Sebagai Sumber Energi Alternatif Di Indonesia