STUDI EKSPERIMENTAL KOMPOSISI CAMPURAN ARANG TEMPURUNG KELAPA (CHAR) DENGAN BED MATERIAL TANAH LIAT PADA DUAL REAKTOR FLUIDIZED BED Oleh : I Made Adi Wiranata Dosen Pembimbing : Prof. I N. Suprapta Winaya, ST,MASc, Ph.D : A.A.I.A. Sri Komaladewi, ST.,MT ABSTRAK Salah satu teknologi fluidisasi yang sedang dikembangkan terdiri dari dual reactor yaitu reaktor fluidized bed untuk proses gasifikasi dan reaktor pembakaran. Sebuah model (cold model) sistem dual reactor fluidized bed (DRFB) dirancang menggunakan material transparan perlu dikembangkan yang nantinya berfungsi untuk mengamati fenomena aliran campuran material hamparan yaitu tanah liat dan partikel biomassa arang tempurung kelapa (char) yang terjadi di dalam riser pada upper bed yang disirkulasikan menuju downer sebelum masuk kembali ke riser melalui loopseal. Bahan yang digunakan untuk membuat reaktor adalah pipa acrylic dengan diameter 10 cm untuk reaktor gasifikasi (reaktor 1) dan 5 cm untuk reaktor pembakaran (reaktor 2). Variasi komposisi campuran partikel tanah liat dan arang tempurung kelapa yang dimasukkan pada DRFB, yaitu variasi I (400gr : 200gr); variasi II (400gr : 400gr); variasi III (400gr : 600gr). Hasil penelitian menunjukkan bahwa laju sirkulasi partikel terbesar diperoleh pada variasi II (400gr : 400gr) dengan laju sirkulasi partikel pada downer 14.3751 kg/(m 2.s) dan pada riser 11.0864 kg/(m 2.s), serta laju sirkulasi partikel berdasarkan volume terjadi peningkatan yang besar pada perbandingan tersebut. Kata Kunci : Dual reactor fluidized bed, cold model, laju sirkulasi partikel. iii
EXPERIMENTAL STUDY OF MIXED COMPOSITION OF COCONUT SHELL CHARCOAL (CHAR) WITH BED MATERIAL CLAY ON DUAL REACTOR FLUIDIZED BED Author Guidance : I Made Adi Wiranata : Prof. I N. Suprapta Winaya, ST,MASc, Ph.D : A.A.I.A. Sri Komaladewi, ST.,MT ABSTRACT One of fluidization technology is being developed consist of a dual reactor is a fluidized bed reactor for gasification and combustion reactor. A model (cold model) dual reactor fluidized bed (DRFB) designed using transparent materials need to be developed that will use to observe the flow phenomenon mixture of clay as bed material and coconut shell charcoal (char) as biomass particles that occurs in the riser on the upper bed is circulated to the downer before getting back into the riser through loopseal. The materials used to make reactor is acrylic pipe with diameter of 10 cm for gasification reactor (reactor 1) and 5 cm for combustion reactor (reaktor 2). Variations in the composition mixture particles of clay and coconut shell charcoal entered in DRFB are variation I (400gr : 200gr); variation II (400gr : 400gr); variation III (400gr : 600gr). The results showed that the largest particle circulation rate obtained on the variation II (400gr: 400gr) with particle circulation rate at downer 14.3751 kg/(m 2.s) and at riser 11.0864 kg/(m 2.s), as well as the particle circulation rate by volume occurred a large increase in such comparisons. Keywords: Dual reactor fluidized bed, cold model, particle circulation rate. iv
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat rahmat-nya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul Studi Eksperimental Komposisi Campuran Arang Tempurung Kelapa (Char) dengan Bed Material Tanah Liat pada Dual Reaktor Fluidized Bed. Dalam menyusun skripsi ini penulis tidak sedikit mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Dr.Ir. I Ketut Gede Sugita, ST, MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana 2. Bapak Prof. I N. Suprapta Winaya, ST, MASc, Ph.D. selaku Dosen Pembimbing I dalam penulisan skripsi ini 3. Ibu A.A.I.A. Sri Komaladewi, ST, MT. selaku Dosen Pembimbing II dalam penulisan skripsi ini 4. Bapak Dr. I Made Parwata ST, MT. Selaku Dosen Pembimbing Akademik 5. Bapak/ibu dosen serta staf pegawai Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana 6. Semua pihak dan kawan-kawan Jurusan Teknik Mesin yang telah membantu dalam menyelesaikan proposal skripsi. Penulis menyadari bahwa skripsi ini tentu jauh dari kesempurnaan mengingat keterbatasan pengetahuan dan referensi yang penulis miliki. Oleh karena itu kritik dan saran yang sifatnya konstruktif sangat penulis harapkan dari berbagai pihak. Sekali lagi penulis mengucapkan banyak terima kasih dan penulis memohon maaf apabila ada kekurangan ataupun kesalahan dalam penulisan skripsi ini. Bukit Jimbaran, Januari 2017 Penulis v
DAFTAR ISI Halaman LEMBAR PENGESAHAN... i LEMBAR PERSETUJUAN... ii ABSTRAK... iii ABSTRACT... iv KATA PENGANTAR... v DAFTAR ISI... vi DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... ix DAFTAR LAMPIRAN... x BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 3 1.3 Batasan Masalah... 3 1.4 Tujuan Penelitian... 4 1.5 Manfaat Penelitian... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1 Teknologi Gasifikasi... 5 2.1.1 Proses Gasifikasi... 5 2.1.2 Tipe Reaktor Gasifikasi (Gasifier)... 7 2.2 Gasifikasi Fluidized Bed... 10 2.3 Definisi Biomassa... 10 2.3.1 Kandungan dalam Biomassa... 12 2.4 Arang Tempurung Kelapa... 13 2.5 Batu Bata Merah (Tanah Liat)... 14 2.6 Teknologi Fluidisasi Bed... 15 2.6.1 Fluidisasi... 15 2.6.2 Klasifikasi Pasir Geldart... 15 vi
2.6.3 Densitas Partikel... 17 2.6.4 Venturimeter dengan Manometer... 18 2.6.5 Kecepatan Semu (Superficial Velocity)... 19 2.7 Fluidisasi Bed Bersikulasi... 20 2.7.1 Pencampuran dan Solid Circulation... 20 2.7.2 Laju Sirkulasi Partikel... 20 BAB III METODE PENELITIAN... 22 3.1 Lokasi Penelitian... 22 3.2 Variabel Penelitian... 22 3.2.1 Variabel Bebas... 22 3.2.2 Variabel Terikat... 22 3.3 Bahan Penelitian... 22 3.4 Alat Penelitian... 23 3.5 Preparasi Arang Tempurung Kelapa dan Tanah Liat... 30 3.6 Prosedur Penelitian... 31 BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN... 35 4.1 Pembuatan Partikel Arang Tempurung Kelapa dan Tanah Liat... 35 4.2 Data Hasil Preparasi Arang Tempurung Kelapa dan Tanah Liat... 36 4.3 Densitas Campuran Partikel Padatan... 38 4.4 Pengukuran Kecepatan pada Venturimeter dengan Manometer... 39 4.5 Distribusi Tekanan Sepanjang Reaktor 2... 40 4.6 Laju Sirkulasi Partikel... 42 BAB V PENUTUP... 47 5.1 Kesimpulan... 47 5.2 Saran... 47 DAFTAR PUSTAKA... 48 LAMPIRAN... 50 vii
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Prinsip Proses Gasifikasi... 5 Gambar 2.2 (a) Updraft Gasifier, (b) Downdraft Gasifier, (c) Crossdraft Gasifier... 8 Gambar 2.3 Entrained-Flow Bed Gasifier... 8 Gambar 2.4 Fluidized Bed Gasifier... 9 Gambar 2.5 Definisi Energi Biomassa... 11 Gambar 2.6 Diagram klasifikasi jenis-jenis pasir... 16 Gambar 2.7 Venturimeter dengan manometer... 18 Gambar 3.1 Serbuk arang tempurung kelapa berukuran antara 0,4 0,5 mm... 23 Gambar 3.2 Butiran tanah liat berukuran antara 0,4 0,5 mm... 23 Gambar 3.3 Skematik Dual Reaktor Fluidized Bed (DRFB)... 24 Gambar 3.4 Reaktor...... 25 Gambar 3.5 Detail ukuran reaktor...... 25 Gambar 3.6 Bahan Plat Distributor... 26 Gambar 3.7 L-Valve... 26 Gambar 3.8 Fuel feeder... 27 Gambar 3.9 Kompresor udara.... 27 Gambar 3.10 Blower...... 28 Gambar 3.11 Ayakan/screen mesh ukuran 0,4 mm... 28 Gambar 3.12 Ayakan/screen mesh ukuran 0,5 mm... 29 Gambar 3.13 Pressure gauge digital... 29 Gambar 3.14 Flowmeter... 29 Gambar 3.15 Venturimeter dengan manometer.. 30 Gambar 3.16 Timbangan... 30 Gambar 3.17 Foto alat uji DRFB berbahan (a) PVC, (b) akrilik... 32 Gambar 3.18 Diagram Alir Penelitian... 34 Gambar 4.1 Hasil ayakan 0,4 0,5 mm bahan (a) arang tempurung kelapa (b) tanah liat... 36 Gambar 4.2 Densitas campuran partikel padatan tiap variasi... 39 Gambar 4.3 Reaktor 1 & 2... 41 Gambar 4.4 Distribusi tekanan sepanjang reaktor 2... 42 Gambar 4.5 Laju sirkulasi partikel pada berbagai komposisi campuran... 44 Gambar 4.6 Laju sirkulasi partikel pada berbagai komposisi campuran berdasarkan volume... 46 viii
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Analisa Ultimat Biomassa... 12 Tabel 2.2 Hasil Uji Komposisi dan Berat Jenis Serbuk Arang Tempurung kelapa... 14 Tabel 4.1 Data pengujian densitas arang tempurung kelapa... 36 Tabel 4.2 Data pengujian densitas tanah liat... 37 Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Densitas... 37 Tabel 4.4 Densitas Campuran Partikel Padatan Tiap Variasi... 39 Tabel 4.5 Distribusi Tekanan Sepanjang Reaktor 2... 41 Tabel 4.6 Massa Padatan yang Melewati Downer dan Riser... 43 Tabel 4.7 Laju Sirkulasi Partikel pada Downer dan Riser... 44 Tabel 4.8 Laju Sirkulasi Partikel Berdasarkan Volume pada Downer dan Riser... 45 ix
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Kalibrasi Piknometer dengan Aquadest pada Temperatur 27 o C... 50 Lampiran 2. Kalibrasi Venturimeter dengan Manometer... 51 Lampiran 3. Foto-foto Pengujian... 53 x
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Kebutuhan energi dunia terus meningkat, termasuk di Indonesia. Hal ini disebabkan oleh meningkatnya populasi penduduk menjadi salah satu faktor meningkatnya kebutuhan energi. Perkembangan manusia yang terus meningkat serta pembangunan industri yang semakin maju pasca revolusi industri yang mengakibatkan kebutuhan energi di Indonesia semakin melonjak. Cadangan minyak bumi Indonesia hanya berkisar 0,5% dari total cadangan minyak bumi dunia. Di lain sisi, laju konsumsi BBM sebagai produk hasil olahan terus mengalami peningkatan sedangkan laju produksi dalam 18 tahun terakhir terus mengalami penurunan. Sedangkan cadangan batubara Indonesia sampai dengan 2013 mencapai sebesar 28,97 Miliar Ton, sedangkan sumber daya batubara mencapai 119,82 miliar Ton dengan rincian sumber daya terukur sebesar 39,45 miliar Ton, terindikasi sebesar 29,44 miliar Ton, tereka sebesar 32,08 miliar Ton dan hipotetik sebesar 19,56 miliar Ton. Jika melihat tingkat produksi batubara yang mencapai 431 juta Ton, dan apabila diasumsikan bahwa tidak ada peningkatan cadangan terbukti, maka produksi batubara diperkirakan dapat bertahan dalam jangka waktu 50 tahun mendatang. Hal ini mengindikasikan bahwa Indonesia rentan terhadap terjadinya krisis energi (Anonymous, 2014). Menghadapi krisis energi ini maka diperlukan pengalihan ke sumber energi alternatif atau energi terbarukan sebagai pengganti bahan bakar fosil yang semakin menipis. Indonesia adalah negara agraris sehingga Indonesia mempunyai potensi akan biomassa yang sangat besar salah satunya adalah tempurung kelapa. Tempurung kelapa dapat dengan mudah didapatkan karena jumlanya melimpah dan untuk sekarang ini hanya dimanfaatkan sebagai arang saja. Dengan mengetahui komposisi dan kandungan kimia yang terdapat di dalam tempurung kelapa, bahan tersebut dapat dijadikan sumber energi alternatif. Teknologi penggunaan energi biomassa dan sampah sebagai bahan bakar telah berkembang pesat salah satunya diterapkan pada sistem fluidized bed (FB). Bahan bakar biomassa yang berasal dari bahan organik terbarukan adalah salah satu sumber energi terbesar ketiga di dunia, setelah batubara dan minyak. Teknologi FB telah 1
terbukti sebagai cara yang efektif untuk mengkonversi berbagai limbah menjadi energi bersih. Salah satu teknologi fluidisasi yang sedang dikembangkan yang terdiri dari dual-reactor yaitu reaktor fluidized bed untuk proses gasifikasi dan reaktor pembakaran. Teknologi gasifikasi yang memisahkan proses reaksi endoterm dan eksoterm menjadi fokus pengembangan teknologi gasifikasi saat ini. Sistem reaktor ini adalah jika pada proses gasifikasi atau pengkonversian bahan bakar menjadi gas terdapat sisa bahan bakar yang belum terkonversi, maka sisa bahan bakar tersebut akan disirkulasikan ke reaktor pembakaran yang kemudian di proses gasifikasi kembali hingga bahan bakar habis terkonversi menjadi gas. Pentingnya solid mixing pada sistem gasifikasi fluidized bed sangat berpengaruh dalam sirkulasi campuran bahan bakar dan bed material di dalam tipe dual-reactor fluidized bed (DRFB). Penelitian tentang studi laju sirkulasi padatan pada circulating fluidized bed. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini menunjukkan bahwa, dengan meningkatkan ukuran partikel padatan, maka laju sirkulasi padatan menurun (Luong, P. M. & Bhattacharya, 1993). Peneliti pengaruh ukuran partikel pada pencampuran partikel dalam fluidized bed 2D mengamati bahwa fluktuasi konsentrasi di kedua sumbu vertikal dan horisontal meningkat sebagai akibat dari pertumbuhan partikel (Shen dan Zhang, 1998). (Gorji-Kandi, dkk, 2014) menunjukkan bahwa peningkatan kecepatan gas superfisial akan meningkatkan laju pencampuran dan mengurangi waktu pencampuran, serta laju pencampuran menurun dengan meningkatkan ukuran partikel. Femonema sirkulasi pada DRFB perlu diamati serta menjadi faktor penting terhadap proses percampuran dan perpindahan masa yang terjadi pada sebuah sistem tertutup. Karakteristik material hamparan terhadap kecepatan superfisial menentukan jumlah masa yang disirkulasikan. Sebuah model (cold model) sistem DRFB dirancang menggunakan material transparan perlu dikembangkan yang nantinya berfungsi untuk mengamati fenomena aliran campuran material hamparan yaitu tanah liat dan partikel biomassa arang tempurung kelapa (char) yang terjadi di dalam riser pada upper bed yang disirkulasikan menggunakan siklon menuju downer sebelum masuk kembali ke riser melalui loopseal. Riser merupakan sebuah titik untuk melihat laju sirkulasi partikel padat dari reaktor pembakaran menuju reaktor gasifikasi, sedangkan downer 2
sebaliknya dari reaktor gasifikasi menuju reaktor pembakaran. Salah satu penelitian penggunaan tanah liat sebagai material hamparan pada FB telah dilakukan oleh (Muntianu G., dkk, 2013) yang bertujuan untuk meningkatkan keseragaman pencampuran zat padat. Karakteristik laju jumlah massa hamparan material dan partikel biomassa yang melewati riser dan downer akan dikaji dengan memvariasikan jumlah campuran butiran tanah liat dan arang kelapa yang dimasukkan pada DRFB. Sirkulasi padatan pada riser dan downer sangat penting diketahui untuk kuantitas dan kualitas campuran padatan yang menuju reaktor pembakaran dan gasifikasi. 1.2 Rumusan Masalah Dari latar belakang yang telah disampaikan, maka permasalahan yang akan dibahas dalam penelitian ini sebagai berikut: 1. Bagaimana pengaruh komposisi campuran material hamparan tanah liat dan arang tempurung kelapa terhadap densitas campuran partikel padatan. 2. Bagaimana pengaruh komposisi campuran material hamparan tanah liat dan arang tempurung kelapa terhadap laju sirkulasi partikel padat yang melewati riser dan downer. 1.3 Batasan Masalah Agar penelitian ini lebih terarah maka dilakukan beberapa batasan masalah, antara lain : 1. Penelitian ini menggunakan reaktor cold model. 2. Partikel biomassa yang digunakan adalah arang tempurung kelapa dengan ukuran antara 0,4 0,5 mm. 3. Bed material yang digunakan adalah tanah liat yang diperoleh dari batu bata merah yang telah ditumbuk dengan ukuran antara 0,4 0,5 mm. 4. Pengeringan partikel biomassa dan bed material dilakukan dengan cara menjemur dibawah sinar matahari agar kandungan air sudah sangat sedikit dan kering. 5. Udara yang dimasukan ke reaktor adalah udara lingkungan yang berasal dari kompressor dan blower dengan kecepatan konstan. 6. Penelitian ini memvariasikan komposisi campuran tanah liat dan arang tempurung kelapa yang dimasukan pada DRFB dengan perbandingan material 3
hamparan dan partikel biomassanya, yaitu 400 gram : 200 gram; 400 gram : 400 gram; 400 gram : 600 gram. 1.4 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian yang akan dilakukan sebagai berikut: 1. Mengetahui pengaruh komposisi campuran material hamparan tanah liat dan arang tempurung kelapa terhadap densitas campuran partikel padatan. 2. Mengetahui pengaruh komposisi campuran material hamparan tanah liat dan arang tempurung kelapa terhadap laju sirkulasi partikel padat yang melewati riser dan downer. 1.5 Manfaat Penelitian Adapun manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah : Hasil penelitian ini diharapkan menjadi referensi desain dual reactor fluidized bed (DRFB), yang nantinya dapat memproduksi gas sebagai energi alternative untuk mengurangi bahan bakar fosil. Selanjutnya, untuk produksi gas yang dihasilkan agar bisa menjadi acuan/referensi untuk dikembangkan ke skala industri/komersil yang lebih besar. Mampu menciptakan alat pengkonversi energi untuk bahan bakar padat menjadi gas yang efisien dan ramah lingkungan. 4