pemodelan gasifikasi minimum energi gibbs

23
KONVERSI TERMAL BIOMASSA PEMODELAN KOMPOSISI GASIFIKASI DENGAN PENDEKATAN MINIMUM ENERGI GIBBS By: 1. HAFID ALWAN (23013032) 2. ROBBIE FADLY S. (23011041) 3. YAHDI AKBAR (23012306) JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK INDUSTRI

Upload: muhammad-yahdi

Post on 22-Oct-2015

162 views

Category:

Documents


8 download

DESCRIPTION

This is a method to predict compostion producer gas from gasification process

TRANSCRIPT

Page 1: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

KONVERSI TERMAL BIOMASSA

PEMODELAN KOMPOSISI GASIFIKASI DENGAN PENDEKATAN MINIMUM ENERGI GIBBS

By:1. HAFID ALWAN (23013032)2. ROBBIE FADLY S. (23011041)3. YAHDI AKBAR (23012306)

JURUSAN TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNIK INDUSTRI

Institut Teknologi Bandung2013

Page 2: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

PEMODELAN KOMPOSISI GASIFIKASI DENGAN PENDEKATAN MINIMUM ENERGI GIBBS

AbstrakTeknologi yang bisa digunakan untuk mengubah biomassa menjadi energi adalah gasifikasi. efisiensi gasifikasi sangat bergantung kepada komposis keluaran gasifikasi. Faktor yang mempengaruhi komposisi gas keluaran gasifikasi adalah suhu, laju alir udara dan jenis gasifikasi. Makalah ini menggunakan model kesetimbangan minimum energi gibbs agar bisa digunakan untuk memprediksi komposisi keluaran gasifikasi. Dari hasil pemodelan diperoleh bahwa semakin tinggi suhu gasifikasi efisiensi gasifikasi semingkat, 680 oC efiensi relatif konstan. Sedangkan peningkatan laju alir udara akan menyebabkan efisiensi semakin menurun karena gas CO2 yang terbentuk akan semakin meningkat.

A. Pendahuluan Minyak bumi merupakan salah satu sumber energi utama yang paling banyak digunakan

saat ini. Kebutuhan akan sumber energi semakin hari semakin meningkat seiring dengan peningkatan jumlah penduduk dan industri. Sedangkan ketersediaan minyak bumi sebagai sumber energi semakin hari semakin menipis, sehingga harus segera dicarikan solusi sumber energi alternatif yang bisa digunakan untuk menggantikan sumber energi dari minyak bumi. Salah satu energi alternatif yang bisa digunakan adalah energi yang bersumber dari biomassa.

Biomassa merupakan sebutan yang diberikan untuk material yang berasal dari makhluk hidup terutama tanaman atau hewan. Energi yang terkandung di dalam biomasa berasal dari matahari yang diolah melalui proses fotosintesis. Dimana karbondioksida di udara diserap kemudian ditransformasikan menjadi molekul karbon lain (gula dan selulosa) dalam tumbuhan.

Salah satu hal yang menyebabkan biomassa bisa dijadikan sebagai energi alternatif adalah karena ketersediaan jumlahnya yang sangat besar. Menurut LIPI (2012) jumlah energi yang bisa dihasilkan dari biomassa di Indonesia adalah sebesar 49.810 MW atau setara dengan 179,5 x 103 Twh.

Dari data PLN, pemakaian listrik Indonesia pada tahun 2012 adalah sebesar 14,61 Twh. Jika diperkirakan pemakaian listrik meningkat 10 % setiap tahunnya, maka pada tahun 2020 pemakaian listrik di Indonesia adalah sebesar 63,03 Twh. Jumlah ini bisa dicukupi jika seandainya biomassa yang ada bisa dikonversi menjadi energi untuk mencukupi kebutuhan listrik di Indonesia.

Biomassa bisa dikonversi menjadi energi melalui proses biologis dan termokimia. Konversi secara termokimia adalah proses yang mengubah biomassa menjadi energi dengan menggunakan panas. Jenis konversi secara termokimia adalah pembakaran, pirolisis dan gasifikasi.

Teknologi konversi termokimia yang menghasilkan energi yang paling bersih dan efisiensi tinggi adalah Gasifikasi. Gasifikasi merupakan konversi termokimia yang mengubah bahan bakar padat menjadi gas mudah bakar menggunakan agen gasifikasi. Agen gasifikasi yang bisa digunakan adalah udara, oksigen murni, karbon dioksida, dan kukus. Gas yang dihasilkan berupa karbon monoksida (CO), hidrogen (H2), karbon dioksida (CO2), metan (CH4), sedikit hidrokarbon berantai tinggi (etena dan etana), air (H2O), nitrogen (N2) dan berbagai partikulat kecil seperti arang, abu, tar, alkali, dan senyawa sejenisnya.

Page 3: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

Gas yang dihasilkan dari gasifikasi dapat diolah lebih lanjut menjadi energi listrik (bahan bakar gas engine dan turbin gas), bahan baku metanol, bahan baku Fisher-Tropch fuel, dan bahan baku syntetis natural gas.

Peforma (efisiensi) dari gasifier sangat bergantung dari komposisi gas yang dihasilkannya. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi komposisi gas keluaran gasifier yaitu suhu gas keluaran, jenis medium gasifikasi, laju alir udara, dan jenis gasifier. Jika komposisi keluaran hanya bisa diketahui dengan melakukan ekperimen, maka biaya dan waktu yang digunakan akan sangat besar. Ada beberapa macam model matematika yang telah dikembangkan untuk bisa memprediksi gas keluaran gasifier. Model matematika yang dapat digunakan, yaitu :

1. Model laju kinetika2. Model kesetimbangan termodinamika (stokiometri dan non-stokiometri)

Masing – masing model memiliki kelebihan dan kekurangan tersendiri. Pada makalah para penulis berkeinginan untuk mempelajari penggunaan model kesetimbangan termodinamika non stokiometri dalam memprediksi gas keluaran gasifier.

B. Tinjauan Pustaka

1. Mekanisme Gasifikasi Gasifikasi adalah suatu proses pengkonversian bahan bakar padat (feedstock) menjadi

gas yang mudah terbakar dengan bantuan agen gasifikasi. Jenis-jenis bahan bakar padat yang bisa digunakan seperti batu bara, kayu, sampah padat dan lain-lain. Sedangkan agen gasifikasi yang bisa digunakan adalah udara, oksigen, kukus dan CO2.

Proses gasifikasi terdiri dari beberapa tahapan sebagai berikut :a. Tahapan pengeringan (drying).

Pada tahapan pengeringan terjadi proses pengurangan komposisi moisture pada bahan bakar. Jumlah moisture pada bahan bakar berkisar 5% sampai 35%. Setelah melewati proses pengeringan yang terjadi pada kisaran suhu 100 – 200 oC, jumlah moisture akan berkurang < 5 % dari kondisi awal.

b. Tahapan pirolisis (devolatillation)Tahapan pirolisis adalah proses dekomposisi termal biomassa dengan minimal atau tanpa oksigen. Pada tahapan ini terjadi pelepasan komponen volatile matter pada biomassa. Pelepasan volatile matter dari biomassa menyebabkan biomassa terkonversi menjadi arang.

c. Tahapan oksidasiPada tahapan ini terjadi reaksi antara oksigen, volatile matter dan arang. Reaksi antara karbon dengan oksigen akan menghasilkan CO2. Karena O2 yang diumpankan berada di bawah stokiometri, maka akan terjadi juga proses oksidasi partial yang menghasilkan karbon monoksida. Sejumlah air dan gas hidrogen juga akan terbentuk akibat reaksi dari komponen hidrogen yang ada pada volatile matter dengan oksigen.

d. Tahapan reduksiKarena jumlah oksigen yang digunakan berada di bawah stokiometri, beberapa reaksi reduksi terjadi pada suhu 800 – 1000 C. Reaksi yang terjadi antara lain : Water-gas reaction :

C + H2O CO + H2

Boundourd reaction :C + CO2 2CO

Page 4: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

Shift reaction :CO2 + H2 CO + H2O

Methane reaction :C + 2H2 CH4

2. Jenis Gasifikasi Ada tiga macam jenis gasifikasi yaitu :a. Fixed bed / moving-bed gasifierb. Fluidised bedc. Entrained gasifier

a. Fixed bed / moving bedBahan bakar bergerak turun di dalam gasifier seperti aliran plug flow, sehingga model ini disebut sebagai moving-bed (bed bergerak). Gasifier Fixed bed bisa dibangun dengan harga murah dan dengan ukuran yang relative kecil. Sehingga, jenis gasifier ini yang banyak dibangun di seluruh dunia. Kekurangan dari gasifikasi jenis ini adalah kesulitan untuk menyeragamkan distribusi bahan bakar, suhu dan komposisi gas gasifikasinya. Sehingga gasifikasi ini kurang bagus untuk bahan bakar yang memiliki kecendrungan untuk menggumpal disaat pembakaran.Ada dua jenis utama gasifikasi yaitu :1. Gasifier Up-draft

Jenis ini adalah jenis yang paling sederhana dan telah lama digunakan. Jenis ini menggunakan agen gasifikasi (steam, udara, dan oksigen) yang mengalir dari bawah dan bahan bakarnya dari atas serta gas yang dihasilkan keluar dari bagian atas gasifier. Gasifier ini sangat bagus untuk bahan bakar yang memiliki komposisi ash (25 %) dan moisture yang tinggi. Namun jenis ini tidak cocok untuk bahan bakar yang memiliki komposisi volatil matter tinggi. Karena tar yang keluar bersama volatile matter banyak yang tidak terbakar dan keluar bersama dengan gas keluaran gasifier.

Gambar 1 : Skema gasifier Up-draft

Page 5: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

2. Gasifier down-draftGasifier Down-draft merupakan gasifier yang berjenis counter cocurrent, di mana bahan bakar masuk dari atas, agen gasifikasi (udara, steam, oksigen) masuk pada ketinggian tertentu dan gas yang dihasilkan keluar dari bagian bawah gasifikasi. Pada gasifier jenis ini, tar yang dihasilkan dari pirolisis akan turun melewati area oksidasi dan abu yang bersuhu tinggi. Kondisi ini menyebabkan terjadinya pembakaran dan perengkahan tar hasil pirolisis. Sehingga gas yang dihasilkan oleh gasifier ini akan menghasilkan lebih sedikit tar dibandingkan jenis up-draft.

Gambar 2 : Skema gasifier down-draft

b. Fluidised bedGasifier jenis ini adalah gasifier yang memiki keseragamam temperatur dan distribusi bahan bakar yang hampir merata di seluruh area gasifier. Bahan bakar solid yang diumpan dibuat seperti fluida (semi-suspended) oleh medium gasifikasi pada kecepatan tertentu. Pencampuran gas-solid yang bagus dan keseragaman suhu di seluruh gasifier menyebabkan resiko penggumpalan bahan bakar di dalam gisifier menjadi berkurang.

c. Entrained gasifierEntrained gasifier merupakan jenis gasifikasi yang paling banyak digunakan dalam skala besar untuk gasifikasi batu bara, petroleum coke dan residu pengilangan. Jenis gasifikasi ini sangat cocok untuk segala jenis batu bara kecuali yang memiliki nilai pembakaran yang rendah. Jenis gasifikasi ini kurang cocok untuk bahan bakar biomassa, karena tingginya komposisi moisturenya.

3. Model gasifikasi Perolehan produk hasil gasifikasi sangat bergantung kepada beberapa reaksi yang

komplek, seperti fast pyrolisis, partial oxidation pyrolisis, gasifikasi arang, konversi tar dan hidrokarbon rantai pendek, dan water gas shift reaction. Selain proses yang komplet tersebut, distribusi produk juga dipengaruhi laju perpindahan panas dan waktu tinggal di

Page 6: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

reaktor. Karena kompleknya fenomena yang terjadi di dalam gasifier, maka diperlukan suatu model matematika yang bisa digunakan untuk membantu memprediksi komposisi keluaran gasifier serta efisiensi kerja gasifier. Model yang bisa digunakan adalah :

a. Model laju reaksi KinetikDalam memprediksi komposisi keluaran gasifier, model laju reaksi kinetik

membutuhkan parameter berupa persamaan laju reaksi, waktu tinggal partikel dan hidrodinamik gasifier. Sehingga, dengan menggunakan parameter yang ada model laju reaksi kinetik akan memberikan informasi tentang perolehan dan komposisi gas berdasarkan waktu tertentu. Selain itu, jika diketahui kondisi operasi dan konfigurasi dari gasifiernya, maka model ini bisa memprediksi profil komposisi dan suhu di keseluruhan gasifier.

Beberapa model kinetik yang telah dikembangkan salah satunya adalah model kinetik yang dikembangkan oleh wang dan kinoshita[g] yang didasarkan pada mekanisme reaksi permukaan di zona reduksi dengan asumsi waktu tinggal dan temperatur reaksi telah diketahui. Giltrap et.al[h] mengembangkan sebuah pemodelan di zona reduksi pada reaktor gasifikasi tipe downdraft untuk memprediksi komposisi produser gas pada keadaan steady state dengan mengadopsi pemodelan kinetik yang dikembangkan oleh wang dan kinoshita. Ketelitian model ini terbatas pada ketersediaan data pada kondisi awal di daerah reduksi. Reaksi pirolisa dan cracking tidak disertakan dalam model ini, karena banyaknya produk intermediate yang mungkin terbentuk dari kedua reaksi tersebut sehingga akan membuat model kinetik menjadi sangat kompleks. Pada model ini diasumsikan jika semua oksigen yang terkandung di udara terkonversi menjadi CO2 dalam proses pembakaran dan semua produk hasil pirolisa ter-crack-ing. Karbon padat dalam bentuk arang terdapat seluruhnya di zona reduksi. Pada zona ini karbon padat dalam bentuk arang diasumsikan sebagai faktor reaktivitas arang (CRF), dimana CRF merepresentasikan kereaktivan arang, dan juga sebagai variable kunci pada simulasi, dan dianggap konstan sepanjang zona reduksi.

b. Model kesetimbangan termodinamika Model kesetimbangan termodinamika tidak bergantung kepada desain gasifier,

sehingga model ini sangat cocok digunakan sebagai media pembelajaran untuk mengetahui pengaruh dari komposisi bahan bakar terhadap komposisi keluaran gasifier. Selain itu model ini juga membutuhkan parameter perhitungan yang lebih sedikit jika dibandingkan dengan model yang lainnya.[b]

Model kesetimbangan termodinamika memiliki dua pendekatan utama yaitu pendekatan secara stokiometri dan non-stokiometri. Pendekatan stokiometri membutuhkan pendekatan definisi mekanisme reaksi yang paling berpengaruh terhadap perolehan komposisi dan suhu di dalam gasifier. Sedangkan pendekatan non-stokiometri tidak membutuhkan mekanisme reaksi, hanya membutuhkan input data berupa analisa ultimate dari bahan bakar. Pendekatan perhitungan yang dilakuan dengan cara mencari total energi Gibbs minimum pada gas keluaran gasifikasi.

Model kesetimbangan termodinamika dijalankan berdasarkan asumsi sebagai berikut :

a. Tidak memperhitungkan dimensi reaktorb. Gasifier dianggap terisolasi sempurna sehingga kehilangan panas diabaikan.c. Suhu di seluruh gasifier sama

Page 7: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

d. Reaksi pirolisis berjalan sangat cepat dan kesetimbangan telah terjadi selama waktu tinggal

e. Tidak memperhitungkan mekanisme reaksi (reaction patway)f. Tidak memodelkan tar.[a]

1. Model kesetimbangan termodinamika non-stoikiometriModel kesetimbangan termodinamika non-stoikiometri dibangun atas dasar

minimalisasi energi bebas gibbs di dalam sistem tanpa menetapkan reaksi yang mungkin akan terjadi. Total energi bebas gibbs didalam sistem dapat didefinisikan sebagai

Gt=∑i=1

N

ni μi

dimana Gt merupakan total energy bebas gibbs dan ni adalah jumlah mol komponen i. μi merupakan potensial kimia dari komponen i dimana dapat di jabarkan sebagai berikut

μi=Gio+RTln ( f if io )

Dimana R dan T merupakan konstanta gas universal dan temperatur. fi merupakan fugasitas komponen i. super-script o menunjukkan standar termodinamik, sehingga Gi

o dan f i

o merupakan energy bebas gibbs standar dan fugasitas standar komponen i. Hubungan fugasitas dengan tekanan total komponen dapat dijelaskan pada persamaan berikut ini

μi=G f ,io +RTln( ϕPiPo )

Dimana Ф merupakan koefisien fugasitas, umumnya f dan P memiliki nilai yang sama jika tekanan mendekati nol. Pada kondisi ini, gas nyata juga didekati dengan ideal gas. Jika semua gas di dekati sebagai gas ideal pada tekanan atmosferik persamaan diatas dapat ditulis ulang menjadi

μi=G f ,io +RTln ( y i )

Dimana yi merupakan fraksi mol gas komponen i dan yi adalah rasio ni terhadap jumlah mol didalam reaksi. Gf ,i

o adalah energi bebas gibbs pembentukan standar komponen i, dan berniali nol untuk seluruh chemical element.

Gt=∑i=1

N

ni ΔG f ,io +∑

i=1

N

n iRTln( nintot )Sekarang, permasalahannya adalah bagaimana mencari nilai ni agar diperoleh energi

bebas Gibbs minimum. Metode yang secara umum banyak digunakan untuk menyelesaikan minimalisasi energi bebas Gibbs adalah dengan menggunakan pengali Langrange. Dimana batasan permasalahan ini adalah neraca elemen

∑i=1

N

aijn i=A j , J=1,2,3 ,…. , k

dimana aij adalah jumlah atom dari elemen j didalam mol komponen i. Aj

didefinisikan sebagai sebagai jumlah atom dari elemen j didalam reaksi campuran. Untuk membentuk fungsi dari Langrangian (L), pengali Langrange, λj = λ1,…, λk digunakan sebagai pengali setiap batasan neraca elemen

Page 8: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

L=Gt−∑j=1

k

λ j(∑i=1

N

aij ni−A j)2. Model kesetimbangan termodinamika stokiometri

Pendekatan stokiometri membutuhkan pendekatan definisi mekanisme reaksi yang paling berpengaruh terhadap perolehan komposisi dan suhu di dalam gasifier. Pendekatan model stokiometri reaksi kesetimbangan bergantung kepada pemilihan komponen yang memiliki nilai komposisi di atas 10-4 % yang memiliki nilai energi pembentukan yang paling minimal pada kondisi operasi gasifikasi. Desrosiers [c]

melaporkan bahwa pada kondisi operasi gasifikasi (suhu 600 – 1500 K) komponen yang memiliki komposisi di atas 10-4 % adalah CO, CO2, CH4, H2, N2, H2 dan solid karbon.

Pemakaian asumsi yang ada menyebabkan pemakaian model reaksi kesetimbangan pada kondisi tertentu tidak sesuai dengan kondisi aktual.

Ada banyak model kesetimbangan yang telah diteliti dalam menentukan komposisi dan unjuk kerja dari gasifier, antara lain :

a. Model water gas shift reaction (WGSR). Penggunaan model WGSR pertama kali diperkenalkan oleh schlapfer (1937). Model

ini merupakan model yang praktis dan mudah digunakan dalam memprediksi komposisi keluaran gasifier.

WGSR adalah suatu reaksi yang mengkonversi steam dan CO menjadi CO2 dan H2. Reaksi ini merupakan reaksi yang eksotermis, sehingga nilai konstanta kesetimbangan termo akan semakin tinggi ketika suhu reaksi semakin rendah (tabel 1).

CO + H2O CO2 + H2

Tebel 1: Kesetimbangan termo WGSR

Model ini digunakan karena dari hasil penelitian diketahui bahwa komponen yang terbesar dari keluaran gasifier adalah gas CO dan H2. Model ini memiliki beberapa kekurangan yaitu : a. Komposisi keluaran gas CH4 harus ditebak terlebih dahulu, sehingga keakuratan

perolehan komposisi produser gas sangat bergantung kepada pemilihan komposisi gas CH4 pada produser gas.

b. Gas CO2 tidak hanya diperoleh dari WGSR, namun juga berasal dari reaksi lainnya, sehingga model ini bisa menyebabkan kesalahan dalam penentuan jumlah produser gas.

b. Model heterogen (model Gumz)Model gumz adalah model yang menggunakan tiga jenis reaksi yaitu : Reaksi water - gas :

C + H2O CO + H2 I Reaksi Boudourd :

C + CO2 2CO II Reaksi metanasi :

C + 2H2 CH4 III

T (C) 600 800 1000 1200 1400K 24,89 3,57 1,19 0,60 0,38

Page 9: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

Tabel 2: Kesetimbangan reaksi termo model GumzT 677 727 827 927KI 1,068 2,530 11,231 38,914KII 0,588 1,736 11,193 52,474KII 0,126 0,070 0,025 0,011

Model ini menggunakan dua reaksi yang cukup dominan pada rentang kondisi operasi gasifier (reaksi I dan II). Sedangkan perolehan gas metan diprediksi dengan menggunakan reaksi III.

C. MetodologiPenentuan komposisi gas dan cold efisiensi gas keluaran gasifier akan melalui

beberapa tahapan yaitu : 1. Penentuan jenis gasifier.

Gasifier yang digunakan adalah fixed bed. Fixed bed gasifier terdiri dari dua jenis yaitu : a. Downdraft b. Updraft

Pemilihan jenis gasifier dilakukan dengan mengkorelasi analisa proximate dan ultimate biomassa yang digunakan terhadap spesifikasi dari gasifier.

2. Pembangunan modelPembangunan model prediksi komposisi gasifier dilakukan setelah diperoleh jenis gasifier yang akan digunakan. Pembangunan model tersebut akan mencakup tahapan – tahapan mekanisme gasifikasi yaitu :a. Pengeringanb. Pirolisic. Oksidasi dan reduksi

3. Variabel bebas dan varibel tak-bebas Komposisi gas dan cold efisiensi gas akan dilihat berdasarkan dua jenis variabel. Variabel yang divariasikan disebut variabel bebas dan variabel yang dijaga tetap disebut variabel tak bebas. a. Variabel bebas yang digunakan adalah :

1. Perubahan suhu gasifier2. Laju alir udara

b. Variabel tak bebas yang digunakan adalah : 1. Jenis gasifikasi2. Laju alir bahan bakar = 100 Kg/jam

Page 10: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

D. Perhitungan

1. Penentuan jenis gasifikasiBahan bakar yang digunakan adalah kulit cangkang sawit yang memiliki sifat-sifat

sebagai berikut :

Tabel 3 : Sifat – sifat kulit cangkang sawit

Sifat-sifat Nilai

HHV (dry) 18,81Moisture 2,88%C 46,53%H 5,84%N 0,89%O 42,32%VM 84,86%Asf 4,29%FC 10,85%

Sedangkan spesifikasi dari jenis gasifier yang akan digunakan adalah :

Tabel 4 : Spesifikasi gasifier

Biomassa Updraft Downdraft

Moisture wet basis (%) 60 Max 25 MaxDry-ash basis (%)Tar (g/Nm3) 30 - 150 O,015 – 30Gas exit temp 200 - 400 700Size (mm) 5 - 100 5 – 100Volatile matter Low High and Low

Dari tabel 4 diketahui bahwa, gasifier jenis updraft akan menghasilkan nilai tar yang tinggi yaitu 30 – 150 g/Nm3. Dari tabel 3 diketahui juga bahwa volatile matter dari kulit cangkang sawit sangat tinggi 84,86 %. Volatile matter merupakan komponen penghasil tar. Sehingga jenis gasifier updraft tidak cocok digunakan jika menginkan tar yang dihasilkan dari proses gasifikasi rendah. maka pada makalah ini gasifier yang digunakan adalah gasifier downdraft.

2. PemodelanGasifier yang digunakan adalah downdraft. Gasifier downdraft merupakan gasifier

yang berjenis cocarent. Aliran biomassanya bahan bakar masuk dari atas, agen gasifikasi (udara, steam, oksigen) masuk pada ketinggian tertentu dan gas yang dihasilkan keluar dari bagian bawah gasifier. Berdasarkan aliran produksi gas gasifier downdraft, maka pada makalah ini kami membangun suatu model yaitu :

Page 11: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

Gambar 3 : Model gasifier downdraft

Dari model yang dibangun, maka kami pada makalah dilakukan tiga tahapan perhitungan yaitu tahapan pengeringan, pirolisis dan gasifikasi.

a. Pengeringan Perhitungan pada tahap pengeringan dilakukan dengan mengasumsikan

bahwa 20 % moisture pada cangkang sawit akan teruapkan. Sehingga dari asumsi tersebut diperoleh :

Tabel 5 : Analisa proksimat

Komposisi Massa Fraksi Massa

Moisture 2,24 2,25 %FC 10,55 10,61 %VM 82,48 82,95 %ASH 4,17 4,19 %Total 99,44 1,00 %

b. Pirolisis Pada zona pirolisi terjadi proses pembentukan gas, liquid, oxygebated dan solid (Arang). Pada makalah ini para penulis mengasumsikan bahwa peristiwa pirolisis hanya membentuk gas dan solid (arang) :

Page 12: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

Gambar 4 : Skema gasifikasi

Perhitungan komposisi keluaran pirolisis dilakukan dengan menggunakan asumsi bahwa biomassa yang digunakan adalah selulosa. Dari penelitian Antal (2003) hasil pirolisis selulosa pada berbagai suhu adalah :

Tabel 6 : Hasil pirolisis selulosa pada berbagai suhu

Produk (%) 200 300 400 500 600

C 32 28 27 27 25,2H2O 36,5 32,5 9,5 27 22,5CH4 8,5 10 10,5 10 9CO2 23,9 28 32 35 36CO 0 0 0,1 1,2 4,5

Antal (2003)

Dengan melakukan pendekatan bahwa suhu pirolisi gasifier di makalah ini terjadi pada suhu 400 oC dengan pendekatan nilai C(arang), H2O, dan CH4 adalah 0.3, 0.1, dan 0.1 serta pendekatan massa masuk sama dengan massa keluar pirolisis, maka diperoleh :

Tabel 7 : Komposisi keluaran pirolisis Kompone

nMassa

CO9,5270

2

H2

0,20105

CH4

9,52702

H2O9,5270

2

C (Arang)28,581

1

N2

1,77423

CO2

36,1328

Page 13: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

c. Oksidasi dan reduksi (gasifikasi) Pada area ini diasumsikan terjadi reaksi oksidasi dan reduksi (gasifikasi). Pada

makalah ini, stokiometri reaksi tidak ditentukan. Sehingga, penentuan komposisi reaksi ditentukan dengan menggunakan pendekatan energi gibbs minimum gas keluaran gasifier.

Perhitungan energi gibbs minimun sangat sulit dihitung jika dilakukan secara manual. Sehingga pada makalah ini para penullis menggunakan bantuan Softwer ApenPlus untuk menghitung energi gibbs minimum keluaran reaktor. Tolol AspenPlus yang bisa digunakan untuk menghitung minimum energi gibbs adalah reaktor gibbs. Perhitungan ini dilakukan dengan mengvariasikan variable bebas dan menjaga variabel tetapnya konstan.

Gambar 5 : Skema perhitungan energi gibbs minimum.

E. Hasil dan Pembahasan

a. Pengaruh suhu terhadap komposisi dan cold gas efisiensi

Page 14: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0 9 0 0 9 5 0 1 0 0 00

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

CO H2 H2O CO2 CH4

Temperatur Gasifikasi (oC)

Frak

si m

ol

Gambar 6 : Pengaruh suhu terhadap komposi gasifier

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0 9 0 0 9 5 0 1 0 0 035

40

45

50

55

60

65

70

Temperatur Gasifikasi (oC)

cge

(%)

Gambar 7 : Pengaruh suhu terhadap efisiensii gasifier

Temperatur gasifier divariasikan mulai dari 600oC hingga 1000oC. Perubahan temperatur gasifier pada 600 oC – 680 oC memberikan efek yang dominan terhadap komposisi keluaran gas produser. Temperatur yang tinggi memberikan konversi karbon yang tinggi untuk membentuk gas produser. Meningkatnya temperatur gasifier meberikan efek semakin meningkatnya fraksi gas CO didalam gas produser dan sepintas menaikkan komposisi H2 di dalam gas produser, yang hal ini menyebabkan Heating Value gas Produser meningkat. Efisiensi gasifikasi dengan basis LHV meningkat seiring naiknya temperatur gasifier. Namun pada temperatur 680 C efisiensi gasifikasi berjalan konstan, yang disebabkan perubahan gas CO dan H2 yang sebanding.

Page 15: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

b. Pengaruh suhu terhadap perbandingan H2/CO

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0 9 0 0 9 5 0 1 0 0 00

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Temperatur Gasifikasi (oC)

rASI

O h

2/cO

Gambar 7 : Pengaruh suhu terhadap rasio H2/CO2.

Naiknya temperatur gasifier memberikan efek terhadap perolehan gas H2. Tingginya temperatur menyebabkan H2 terkonversi menjadi H2O. Sebagai hasilnya hal ini juga memberikan dampak menurunnya rasio molar H2/CO di gas produser. Penurunan yang tajam rasio H2/CO terjadi pada temperatur 600 C hingga 680 C.

c. Pengaruh laju alir udara terhadap komposisi gas dan cold gas efisiensi

2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

CO H2 CO2 H2O CH4

Rasio O/C

Frak

si m

ol

Gambar 8 : Pengaruh rasio O/C terhadap komposisi

Page 16: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

10

20

30

40

50

60

70

80

Rasio O/C

CGE

(%)

Gambar 9 : Pengaruh rasio O/C terhadap Cold Gas Efisiensi

Semakin besar rasio O/C memberikan efek yang dominan terhadap perolehan gas H2 dan CO di gas produser. Hal ini disebabkan oleh karbon yang ada terkonversi menjadi CO2. Sehingga efisiensi gasifikasi (CGE) yang dihasilkan juga semakin rendah.

Page 17: Pemodelan Gasifikasi Minimum Energi Gibbs

5. Kesimpulan Dari hasil simulasi Aspen Plus dengan model kesetimbangan reaksi dengan minimum

energi bebas Gibbs didapatkan beberapa kesimpulan, yaitu;a. Komposisi gas CO meningkat seiring dengan meningkatnya suhu gasifikasi,

sedangkan komposisi H2 menurun seiring dengan peningkatan suhub. Peningkatan suhu gasifikasi akan menyebabkan efisiensi semakin meningkat, namun

pada suhu 680 oC peningkatannya relatif konstan.c. Komposisi gas CO2 akan meningkat jika rasio udara dan bahan bakar meningkat.d. Meningkatnya gas CO2 di gas produser akan menurunkan efisiensi gasifikasi.e. Peforma gasifikasi dipengaruhi o

6. Daftar Pustaka:a. Arnavat. M.P, Bruno J.C and Coronas, A. 2010. Review and analysis of biomass

gasification models. Renewable and Sustainable Energy Review : 2811 - 2851b. Barman, N.S., Ghosh, S., and De, S., 2012. Gasification of biomass in a fixed bed

downdraft gasifier.Bioresource Technology 107: 505-511c. Desrosiers R. 1979 Thermodinamicof gas-char reactions. In : Reed TB, editor. A.

Survey of biomass gasification. Solar Energy Reasearch Institute. Colorado.d. Khadse, et al. 2006. Equalibrium model for biomass gasification. Advance in energy

research. e. Lyer P.V.R. T. R. Rao and P.D Grover. 2002. Biomass Thermo-Chemical

Characterization. ITT Delhi. Indiaf. Shasikantha. 1988. Peformance evaluationof Gasifier-Engine system operating on

dual fuel mode. M. Tech. Dissertation. C.E.S.E. IIT. Bombayg. Wang Y, Kinoshita CM. Kinetic model of biomass gasification. Solar Energy

1993;51(1):19–25.h. Giltrap DL, McKibbin R, Barnes GRG. A steady state model of gas–char reactions in a

downdraft gasifier. Solar Energy 2003;74:85–91.