BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Berbagai konfigurasi dan mode operasi telah banyak

dikembangkan untuk meningkatkan unjuk kerja reaktor unggun diam yang

dioperasikan secara tunak. Salah satunya adalah sistem unggun jamak,

yang hingga saat ini menjadi metode yang populer untuk melangsungkan

reaksi eksotermik, meskipun belum memberikan unjuk kerja yang benar-

benar optimal. Pada pertengahan 1980-an, beberapa peneliti Rusia

mencoba pengoperasian reaktor unggun diam dalam kondisi tak tunak

sebagai salah satu alternatif untuk meningkatkan unjuk kerja reaktor

terutama dalam hal selektivitas, konversi reaksi, dan menurunkan

konsumsi energi.

Salah satu aplikasi pengoperasian reaktor unggun diam secara

transien adalah reaktor aliran bolak-balik (reverse flow reactor) atau

disingkat RABB. RABB adalah reaktor ungun diam yang alirannya diubah

secara periodik. RABB dapat meningkatkan konversi reaktor,

memperbaiki distribusi produk, serta menurunkan kebutuhan energi.

RABB merupakan salah satu alternatif dari konsep intensifikasi proses

yang sedang digalakkan di industri proses, terutama di Eropa.

1.2 Rumusan Masalah

Rumusan masalah pada percobaan Dinamika Proses Perambatan

Panas adalah:

“Bagaimana pengaruh perbedaan waktu pembalikan aliran udara

(gangguan) terhadap distribusi temperatur di sepanjang reaktor dan

perbandingan energi pada rezim quasy, sliding, dan dynamic dengan

reaktor tunak?”

1

1.3 Tujuan Percobaan

Tujuan percobaan Dinamika Proses Perambatan Panas adalah

mempelajari perilaku dinamik dalam proses perambatan panas di

sepanjang unggun inert pada reaktor bolak-balik.

1.4 Sasaran Percobaan

Sasaran percobaan Dinamika Proses Perambatan Panas adalah:

1. Mampu menentukan daerah operasi dan distribusi temperatur

berdasarkan karakteristik perambatan panas pada reaktor aliran

bolak-balik.

2. Mampu mensimulasikan kelakuan dinamik dalam pemodelan

komputer.

3. Mampu menghitung penghematan energi pada penggunaan reaktor

bolak-balik berdasarkan penurunan kebutuhan energi untuk

pemanasan umpan.

1.5 Ruang Lingkup Percobaan

Percobaan ini mencakup pengamatan terhadap perilaku temperatur

sepanjang segmen dalam reaktor bolak-balik setiap selang waktu 10 menit

dengan waktu pembalikan yang diatur sesuai dengan rezim yang ada. Pada

rezim quasy, waktu pembalikan diatur lebih besar daripada waktu tunak.

Pada rezim dynamic waktu pembalikan diatur sama dengan waktu

tunaknya, sedangkan untuk rezim sliding waktu tunaknya lebih besar

daripada waktu pembalikan. Reaktor bolak-balik diisi dengan dolomite

inert sehingga tidak ada reaksi yang terjadi. Perilaku dinamik dari reaktor

tersebut kemudian disimulasikan dengan program Flex PDE untuk melihat

profil waktu gangguan terhadap kondisi steady.

2

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Reaktor Tak Tunak

2.1.1 Reaktor Tak Tunak dan Keunggulannya

Reaktor tak tunak merupakan reaktor yang memiliki variabel proses yang

berubah-ubah atau bervariasi terhadap waktu. Kondisi tak tunak dapat diperoleh

dengan cara modulasi, pembalikan umpan, dan pengaturan posisi unggun secara

spasial. Di samping itu, kombinasi operasi reaktor aliran bolak-balik (RABB) dan

modulasi komposisi atau reaktor bolak-balik dan umpan samping dapat digunakan

sebagai piranti teknik (engineering tool) untuk mengendalikan distribusi produk

dan memperbaiki produktivitas (Budhi dkk., 2004a, 2004b). Reaktor tak tunak

telah dapat dimanfaatkan dalam beberapa proses sintesis, di antaranya oksidasi

parsial metan menjadi syngas, oksidasi zat aromatik, konversi NOx pada proses

SCR (selective catalytic reduction), dan juga reduksi VOC (volatile organic

compound) dalam gas buang.

Reaktor tak tunak dapat digunakan untuk meningkatkan konversi dan

selektivitas produk yang diinginkan untuk beberapa kasus tertentu. Peningkatan

ini berawal dari perubahan secara temporer pada luas permukaan katalis yang

aktif. Situasi yang diharapkan adalah luas permukaan katalis yang aktif besarnya

sesuai dengan stoikiometri reaksi yang diinginkan terjadi ketika reaksi

berlangsung (Budhi dkk., 2003). Proses eksotermik yang dilangsungkan dalam

reaktor tunak tidak dapat mencapai konversi yang tinggi jika dilangsungkan dalam

satu unggun katalis saja. Hal ini disebabkan oleh batasan kesetimbangan reaksi.

Jika menggunakan reaktor tak tunak, konversi dan efisiensi yang diperoleh lebih

tinggi (Matros dan Bunimovich, 1996).

2.1.2 Kendala dan Keterbatasan Reaktor Tak Tunak

Perubahan variabel proses selama berlangsung mempengaruhi variabel

proses keluaran reaktor. Hal ini mengakibatkan gangguan untuk unit proses lain,

maka diperlukan unit pengendalian proses untuk menstabilkan variabel proses

keluaran dari reaktor. Penggunaan reaktor tak tunak, terutama RABB masih

3

sangat terbatas hanya untuk melangsungkan reaksi eksotermik. Jika reaksi

endotermik dilangsungkan pada reaktor tak tunak, maka suatu reaksi eksotermik

pasangan dibutuhkan untuk memasok kebutuhan panas reaksi endotermik (van

Annaland, 2000).

Kendala lainnya adalah pengoperasian reaktor tak tunak lebih rumit dan

lebih mahal dibandingkan reaktor tunak. Jika biaya yang dikeluarkan untuk

meningkatkan konversi dan selektivitas lebih murah dengan jalan memperbesar

ukuran reaktor, maka pengoperasian reaktor tak tunak malah menjadi pilihan yang

kurang ekonomis. Reaktor tak tunak hanya dapat dijadikan pilihan jika aktivitas

katalis dapat ditingkatkan secara signifikan, bahkan lebih dari 100% (Silveston

dkk., 1995).

2.2 Daerah Operasi Proses Tak Tunak

Di dalam operasi proses tak tunak, dikenal istilah waktu gangguan yaitu

interval waktu dilakukannya gangguan pada reaktor, dalam kasus RABB ini

adalah interval waktu dilakukannya pembalikan arah laju umpan reaktor

(switching time). Berdasarkan skala besarnya waktu gangguan yang diberikan

dengan skala waktu sistem untuk merespon gangguan (arti lainnya adalah interval

waktu yang dibutuhkan sistem untuk mencapai suatu kondisi tunak baru dari suatu

gangguan), rezim (daerah) operasi tak tunak dibagi menjadi 3, yaitu:

1. Quasy-steady state regime: skala waktu tak tunak lebih besar

dibandingkan skala waktu reaksi/reaktor. Hal ini menyebabkan sistem

dapat merespon gangguan secara mudah dan mencapai keadaan tunak

seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.1(a).

2. Dynamic regime: skala waktu tak tunak hampir sama dengan skala waktu

sistem reaksi/reaktor. Hal ini menyebabkan sistem belum bisa merespon

gangguan dengan baik dan selalu dalam kondisi dinamik. Gangguan yang

diberikan dapat memberikan efek resonansi terhadap sistem seperti

ditunjukkan dalam Gambar 2.1(b).

3. Sliding regime: gangguan diberikan dalam skala waktu yang sangat kecil,

jauh lebih kecil dari skala waktu sistem. Hal ini menyebabkan sistem tidak

dapat merespon gangguan karena dinamika proses sangat lambat. Kondisi

4

ini hampir sama dengan kondisi tunak sejati seperti ditunjukkan dalam

Gambar 2.1(c)

(a) (b) (c)

Gambar 2.1. Profil dinamika variabel proses pada daerah operasi reaktor aliran

bolak-balik: (a) quasy steady-state regime, (b) dynamic regime, (c) sliding regime.

Ntavg = Nilai rata-rata, Ns = Nilai pada kondisi steady, Ndym = Nilai pada dynamic

regime, Nqss = Nilai pada quasy steady-state regime, Nsli = Nilai pada sliding

regime (Hoebink dkk., 1995).

2.3 Reaktor Aliran Bolak-Balik

2.3.1 Definisi dan Prinsip Reaktor Aliran Bolak-Balik

Reaktor aliran bolak balik bekerja pada kondisi tak tunak. Kondisi tak

tunak ini dapat dicapai dengan cara mengubah aliran masuk secara secara berkala

pada waktu tertentu. Reaktor aliran bolak balik ini terdiri atas unggun diam

berkatalis dan keran-keran yang memungkinkan untuk perubahan aliran, seperti

pada gambar 1.

Gambar 2.2 Reaktor ALiran Bolak-balik

5

2.3.2 Manfaat dan Keunggulan Reaktor Aliran Bolak-Balik

Katalis yang berada di dalam reaktor, selain berperan untuk mempercepat

laju reaksi, dapat juga berfungsi sebagai penyimpan panas hasil 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). Karena itu, RABB dapat menurunkan

kebutuhan panas, dengan kata lain mampu mengefisiensikan kebutuhan 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).

RABB akan menciptakan suatu fenomena yang dikenal dengan nama

“efek jebakan panas” atau heat trap effect pada kasus reaksi eksotermik. Efek ini

dapat dimanfaatkan untuk mencapai dan mempertahankan temperatur yang lebih

tinggi dibandingkan terhadap temperatur pada saat operasi dengan mode aliran

searah (single direction flow mode) (Liu dkk., 2000). Fenomena heat trap effect

ini diilustrasikan pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3. Fenomena heat trap pada operasi aliran bolak-balik.

Gambar 2.3(a) menunjukkan profil temperatur reaktor untuk

penyelenggaraan reaksi eksotermik dioperasikan dengan mode aliran searah.

Temperatur mula-mula naik secara perlahan kemudian meningkat secara drastis

pada zona di mana panas reaksi dibebaskan. Ketika arah aliran diibalik dari sisi

oulet menuju inlet, maka energi yang tersimpan di reaktor secara sendirinya

6

digunakan untuk memanaskan umpan. Hal ini menyebabkan temperatur umpan

pada zona outlet akan lebih tinggi dibandingkan temperatur umpan mula-mula

pada sisi inlet. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 2.3(b) dan 2.3(c). Setelah jumlah

siklus tertentu, distribusi temperatur di sepanjang reaktor lebih merata, seperti

yang ditunjukkan pada gambar 2.3(d).

Dibandingkan dengan reaktor aliran sekali lewat (once through flow

reactor), RABB memberikan selektivitas dan konversi yang lebih baik (Boreskov

dan Matros, 1983). Ferreira dkk. (1999) mengajukan RABB sebagai salah satu

cara untuk menurunkan titik panas (hot spot) pada katalis dan mendapatkan

distribusi temperatur yang diinginkan sepanjang bed. Penurunan titik panas (hot

spot) disebabkan karena temperatur rata-rata pada unggun katalis lebih rendah

(Matros, 1990).

2.3.3 Kendala Reaktor Aliran Bolak-balik

RABB beroperasi pada dinamika beda temperatur yang besar sepanjang

unggun katalis karena adanya pertukaran panas antara unggun katalis dan gas

yang bereaksi. Gradien temperatur yang besar dapat merusak unggun katalis,

sehingga gradien perubahan temperatur harus terus dipantau. Pada RABB

diperlukan sistem pengendalian kontrol untuk menghindari pemadaman reaksi

(extinction) serta kelebihan panas (overheating) pada unggun katalis (Dufour dkk.,

2003). Selain itu, peralatan seperti kerangan yang dapat beroperasi pada frekuensi

ubah (switching frequency) yang tinggi belum memadai. Dengan demikian,

RABB memerlukan investasi yang mahal.

7

edcudaraaHeater2345

A1A2A3B1B2B3

0L

ZONA INERT AZONA INERT B ZONA PEMANAS

790 mm

105 mm150 mm

27 m

m

60 m

m

BAB III

PELAKSANAAN PERCOBAAN

3.1 Alat dan Bahan

3.1.1 Alat

- Heater

- Kerangan (valve) aliran udara

- Reaktor aliran bolak-balik (RABB)

- Manometer

Di bawah ini adalah skema reaktor yang digunakan pada percobaan ini.

Gambar 3.1 Skema Reaktor dan Posisi Termokopel

3.1.2 Bahan

- Udara

- Dolomit (material unggun inert)

8

- Aqua dm

3.2 Skema Peralatan Percobaan

Gambar 3.2. Skema Reaktor Aliran Bolak-balik

3.3 Prosedur Percobaan

9

BAB IV

HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Distribusi Temperatur di Sepanjang Reaktor untuk Setiap Rezim

Percobaan Dinamika Proses Perambatan Panas memiliki sasaran untuk

menentukan distribusi temperatur berdasarkan karakteristik perambatan panas

pada reaktor aliran bolak-balik. Distribusi ini mencakup setiap segmen yang

diukur temperaturnya dengan termokopel, yaitu segmen 5, 4, 3, 2, heater, a,

udara, c, d, e. Segmen-segmen tersebut dibagi menjadi dua zona inert : zona inert

10

dynamicsliding

A (segmen a, c, d, e) dan zona inert B (segmen 5, 4, 3, 2). Pengamatan dilakukan

untuk ketiga rezim (dynamic, sliding, dan quasy) dengan cara mengubah-ubah

waktu pembalikannya berdasarkan ketentuan :

1. Waktu pembalikan rezim quasy : waktu pembalikan steady state + 30

menit

2. Waktu pembalikan rezim sliding : 20 menit

4.1.1 Rezim Quasy

Perilaku temperatur tiap segmen pada rezim quasy dapat dilihat pada

grafik di bawah :

0 20 40 60 80 100 120 1400

10

20

30

40

50

60

70

80

90

543acde2

Waktu (menit)

Tem

pera

tur

(oC)

Gambar 4.1 Distribusi Temperatur Tiap Segmen Terhadap Waktu pada Rezim

Quasy 1

Pada rezim quasy 1, keran 3 dan 4 yang dibuka sehinga udara akan

mengalir melalui zona inert B terlebih dahulu. Dari grafik diatas dapat diamati

bahwa segmen yang berada sebelum heater mengalami perubahan temperatur

yang cenderung tidak besar (segmen 5, 4, 3, 2) selama 120 menit, sedangkan

untuk segmen yang berada di zona inert A akan mengalami kenaikan temperatur

yang besar akibat pemanasan heater. Perubahan temperatur yang cukup drastis

dialami oleh segmen a di mana kurva kenaikannya cenderung tidak stabil. Hal ini

disebabkan titik a berada tepat pada keluaran heater dan mengalami perubahan

seiring dengan temperatur pemanas yang belum konstan pada tahap awal

percobaan. Pada percobaan ini temperatur heater harusnya konstan pada 150oC

namun hal ini pada kenyataannya sulit dipenuhi (± 10℃ .¿.

11

Kenaikan temperatur yang terjadi pada segmen sebelum heater (zona inert

B) disebabkan oleh aliran energi panas dari zona inert A yang memiliki

temperatur yang lebih besar. Aliran panas ini berlangsung terus-menerus sehingga

seiring berjalannya waktu selisih kenaikan temperatur yang disebabkan heater

semakin besar. Semakin lama temperatur pada setiap segmen tidak lagi

mengalami kenaikan yang berarti, bahkan cenderung konstan (steady state).

Waktu ini terjadi pada menit ke-90 dan menjadi acuan untuk menentukan waktu

pembalikan masing-masing rezim. Pembalikan ini berfungsi sebagai gangguan

yang menjadikan reaktor ini bekerja dalam kondisi tak tunak.

Pembalikan dilakukan pada menit ke-120 (sesuai ketentuan pembalikan di

awal pembahasan) sehingga kali ini keran 1 dan 2 yang dibuka. Aliran udara akan

melewati zona inert A terlebih dahulu lalu ke zona inert B. Karena sebelumnya

udara telah dipanaskan pada zona inert B, maka kali ini temperatur udara masuk

akan lebih tingi daripada temperatur udara awal di rezim quasy 1. Selama selang

waktu 120 menit berikutnya temperatur pada zona inert B mengalami penurunan

sedangkan zona inert A mengalami kenaikan karena pemanasan heater. Profil

temperatur untuk tiap segmen terhadap waktu dapat dilihat sebagai berikut :

0 20 40 60 80 100 120 1400

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

5432acde

Waktu (menit)

Tem

pera

tur (

oC)

Gambar 4.2 Distribusi Temperatur Tiap Segmen Terhadap Waktu pada Rezim

Quasy 2

12

Pada grafik di atas dapat diamati bahwa temperatur yang paling besar

dimiliki oleh segmen dua, yaitu segmen yang berada tepat pada keluaran heater.

Semakin jauh dari heater, kenaikan temperaturnya semakin kecil.

0

2

4

6

8

10

12

Steady stateQuasy 1Quasy 2

Tem

pera

tur

(oC)

Gambar 4.3 Perbandingan Temperatur Tiap Segmen pada Waktu Pembalikan Quasy dengan Steady-State

Jika dibandingkan, temperatur keseluruhan segmen pada waktu

pembalikan quasy 1 hampir sama dengan waktu steady state karena arah aliran

udaranya sama, hanya temperatur pada zona inert A yang lebih besar. Hal ini

disebabkan waktu pemanasan heater yang lebih lama pada quasy 1. Apa yang

ditunjukkan oleh keadaan pada sitching time quasy 2 juga sudah dapat diprediksi

sebelumnya, yaitu temperatur pada segmen yang kini berada setelah heater akan

naik dan zona inert A akan turun suhunya.

Karena pada rezim ini waktu pembalikannya lebih besar daripada

temperatur steady state, sistem dapat merespons pembalikan tersebut dengan

baik. Hal ini mengakibatkan sistem dapat dengan mudah kembali pada keadaan

steady-state-nya. Hal ini ditunjukkan oleh kurva pada quasy 2 yang bentuknya

hampir seperti cerminan dari quasy 1. Ini menggambarkan perubahan temperatur

yang terjadi pada saat aliran udara dibalik hampir sama dengan perilaku

sebelumnya namun dengan daerah operasi yang berlawanan.

4.1.2 Rezim Sliding

13

Pada rezim sliding, waktu gangguan yang diberikan lebih kecil daripada

waktu steady-state-nya (20 menit) sehingga profil temperatur pada tiap segmen

belum sempat mencapai keadaan konstan. Rezim ini dimulai dengan pembalikan

arah aliran udara setelah dari rezim quasy 2 sehingga arah alirannya menjadi

seperti arah aliran di quasy 1. Distribusi temperaturnya dapat dilihat dari grafik di

bawah ini

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60

70

80

90

5432acde

Waktu (menit)

Tem

pe

ratu

r (o

C)

Gambar 4.4 Distribusi Temperatur Tiap Segmen Terhadap Waktu pada Rezim

Sliding 1

Dari grafik tersebut, temperatur pada zona inert A (segmen a, c, d, e)

mengalami pemanasan oleh heater sehingga mengalami kenaikan temperatur.

Keadaan yang sebaliknya terjadi pada segmen 2, 3, 4, dan 5. Setelah 20 menit,

pembalikan kembali dilakukan dan fenomena yang sebaliknya terjadi. Kali ini

segmen yang mengalami penurunan temperatur adalah segmen a, c, d, dan e.

14

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60

70

80

90

5432acde

Waktu (menit)

Tem

pera

tu (o

C)

Gambar 4.5 Distribusi Temperatur Tiap Segmen Terhadap Waktu pada Rezim

Sliding 2

Kurva yang didapatkan menunjukkan hasil yang sesuai dengan teori yang

telah dipelajari sebelumnya. Jika kita bandingkan temperatur tiap segmen pada

waktu pembalikannya dengan keadaan steady state, akan diperoleh kurva seperti

berikut :

0

2

4

6

8

10

12

Steady stateSliding 1Sliding 2

Tem

pe

ratu

r (o

C)

Gambar 4.6 Perbandingan Temperatur Tiap Segmen pada Waktu Pembalikan

Sliding dengan Steady-State

Arah aliran gas pada rezim sliding 1 sama dengan kondisi steady state

sehingga kita bisa menyimpulkan bahwa saat pembalikan terjadi temperatur tiap

segmennya belum bisa mencapai keadaan steady state awal, terutama untuk zona

15

inert B. Pemanasan yang terjadi pada zona inert A rata-rata telah hampir

menyamai kondisi steady state walaupun tidak sepenuhnya sama. Untuk sliding 2

kurvanya juga hampir menyerupai “cermin” bagi rezim sliding 1. Hal ini

membuktikan bahwa distribusi panas dalam reaktor cukup baik sehingga dapat

terdistribusi merata tiap kali terjadi gangguan berupa pembalikan arah umpan.

4.1.3 Rezim Dynamic

Rezim ini merupakan rezim di mana waktu pembalikan sama dengan

waktu steady state. Distribusi temperatur untuk tiap segmen selama 90 menit

dapat diamati pada gambar di bawah ini :

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Dynamic

5432acde

Waktu (menit)

Tem

pera

tur (

oC)

Gambar 4.7 Distribusi Temperatur Tiap Segmen Terhadap Waktu pada Rezim

Dynamic

Pada rezim ini kembali dapat diamati bahwa segmen yang berada pada

zona inert A akan mengalami kenaikan temperatur (segmen a, c, d, e) sedangkan

segmen 5, 4, 3, dan 2 mengalami penurunan temperatur karena tidak lagi

mendapat energi panas dari heater.

16

0

2

4

6

8

10

12

Steady stateDynamic

Tem

pera

tur

(oC)

Gambar 4.8 Perbandingan Temperatur Tiap Segmen pada Waktu Pembalikan

Dynamic dengan Steady-State

Gambar di atas menunjukkan bahwa secara keseluruhan temperatur tiap

segmen pada menit ke-90 rezim dynamic hampir sama dengan kondisi steady

state. Hal ini sesuai dengan dasar teori bahwa pada rezim ini sistem tepat

mencapai kondisi steady state sebelum akhirnya mengalami gangguan dari luar.

Perbedaan hanya terjadi pada zona inert A di mana temperatur pada rezim

dynamic untuk segmen a, c, dan d lebih besar daripada temperatur steady state.

Hal ini dapat disebabkan aliran panas pada saat rezim dynamic telah terakumulasi

dari rezim-rezim sebelumnya. Panas ini menyebabkan beban heater tidak lagi

sebesar saat kondisi awal reaktor dijalankan. Dengan kata lain, heater dengan

daya pemanasan yang sama pada rezim ini akan menghasilkan kenaikan

temperatur yang lebih besar.

4.2 Perbandingan Distribusi Temperatur di Sepanjang Reaktor untuk Setiap

Rezim antara Percobaan dan Simulasi FlexPDE

4.2.1 Rezim Quasy

17

0 50 100 150 200 250 300270

280

290

300

310

320

330

340

350 5

percobaanflexPDE

0 50 100 150 200 250 3000

50

100

150

200

250

300

350

4004

percobaanflexPDE

18

0 50 100 150 200 250 3000

50

100

150

200

250

300

350

400

3

percobaanflexPDE

0 50 100 150 200 250 3000

50

100

150

200

250

300

350

4002

percobaanflexPDE

0 50 100 150 200 250 3000

50

100

150

200

250

300

350

400heater

percobaanflexPDE

0 50 100 150 200 250 3000

50

100

150

200

250

300

350

400

a

percobaanflexPDE

0 50 100 150 200 250 300301.5

302

302.5

303

303.5

304

304.5

305

305.5c

percobaanflexPDE

0 50 100 150 200 250 300301.5

302

302.5

303

303.5

304

304.5

305

305.5

d

percobaanflexPDE

0 50 100 150 200 250 300302.2

302.4

302.6

302.8

303

303.2

303.4

303.6

303.8

e

percobaanflexPDE

Gambar 4.9 Perbandingan Distribusi Temperatur Tiap Segmen Terhadap Waktu

pada Rezim Quasy antara Percobaan dan Simulasi FlexPDE

4.2.2 Rezim Sliding

19

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45292

294

296

298

300

302

304

306

308

310

312

5

flexPDEpercobaan

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45280

290

300

310

320

330

340

4

flexPDEpercobaan

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

3

flexPDEpercobaan

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

3702

flexPDEpercobaan

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

50

100

150

200

250

300

350

400

450heater

flexPDEpercobaan

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

50

100

150

200

250

300

350

400a

flexPDEpercobaan

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45280

290

300

310

320

330

340

350c

flexPDEpercobaan

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45280

290

300

310

320

330

340d

flexPDEpercobaan

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45295

300

305

310

315

320e

flexPDEpercobaan

Gambar 4.10 Perbandingan Distribusi Temperatur Tiap Segmen Terhadap Waktu

pada Rezim Sliding antara Percobaan dan Simulasi FlexPDE

4.2.3 Rezim Dynamic

20

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45295

300

305

310

315

320e

flexPDEpercobaan

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100280

290

300

310

320

330

3405

percobaanflexPDE

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

3704

percobaanflexPDE

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

4003

percobaanflexPDE

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

4002

percobaanflexPDE

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

heater

percobaanflexPDE

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100285

290

295

300

305

310

315

320

325

330

335

a

percobaanflexPDE

Gambar 4.11 Perbandingan Distribusi Temperatur Tiap Segmen Terhadap Waktu

pada Rezim Dinamic antara Percobaan dan Simulasi FlexPDE

Hasil profil temperatur yang didapat dari hasil percobaan berbeda dengan hasil

simulasi FlexPDE. Hal ini dapat terjadi karena simulasi dilakukan dengan

temperatur awal yang sama untuk setiap rejim, yaitu sebesar 303 K. Sedangkan

pada percobaan, kondisi awal untuk setiap rejim berbeda. Selain itu, data

temperatur hasil percobaan merupakan data temperatur dari kondisi masing-

masing rejim yang belum stabil. Asumsi daya listrik yang digunakan pada

simulasi FlexPDE juga mempengaruhi perbedaan data hasil percobaan dengan

hasil simulasi. Daya listrik yang diasumsikan pada simulasi tidak mungkin sama

persis dengan daya listrik yang sebenarnya digunakan pada percobaan.

4.3 Penghematan Energi pada Setiap Rejim

Berdasarkan percobaan, penghematan energi pada tiap rezim dapat dilihat

pada tabel di bawah ini :

Tabel 4.1 Penghematan Energi Tiap Rejim

21

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100302.7

302.8

302.9

303

303.1

303.2

303.3

303.4

303.5

c

percobaanflexPDE

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100302.7

302.8

302.9

303

303.1

303.2

303.3

303.4

303.5

303.6

d

percobaanflexPDE

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100302.5

302.6

302.7

302.8

302.9

303

303.1

303.2e

eflexPDE

SLIDING 14,07 kJ/kgQUASY 8,65 kJ/kgDYNAMIC 3,93 kJ/kg

Dari tabel 4.1, dapat dilihat bahwa nilai penghematan energi terbesar ada

di rezim sliding, kemudian diikuti oleh rezim quasy dan dynamic. Hal ini sesuai

dengan pengertian Q saving itu sendiri yaitu selisih antara Q yang dibutuhkan

untuk memanaskan udara dari To sampai Tr pada reaktor searah (dalam percobaan

ini yaitu Q saat steady state) dengan Q yang dibutuhkan pada RABB. Pada

percobaan ini T awal (To) adalah temperatur di tiap ujung terluar zona inert

[segmen 5 atau e], sedangkan Tr adalah temperatur pada segmen yang berada

tepat di keluaran heater (segmen a atau 2).

Rezim quasy dilaksanakan di tahap awal saat reaktor baru saja dijalankan

dan melewati tahap steady statenya. Zona inert A pada rezim quasy 1 akan

mengalami pemanasan selama 120 menit sehingga unggun dolomit inert yang

berada dalam reaktor dapat menyimpan panas dalam jumlah yang besar sesuai

dengan nilai konduktivitas panasnya yang sama dengan 190 kali nilai

konduktivitas panas udara. Panas ini sangat bermanfaat untuk memanaskan

umpan udara saat pembalikan dilakukan sehingga heater tidak perlu lagi

memanaskan udara dengan selisih temperatur yang besar. Hal ini mengakibatkan

penghematan terhadap daya yang dikeluarkan heater.

Rezim quasy 2 yang juga berlangsung selama 120 menit telah

mengakibatkan penyimpanan panas yang besar pada zona inert B. Panas ini sekali

lagi membantu dalam memanaskan umpan udara saat rezim sliding 1. Hal ini

ditunjukkan pada harga Q saving yang terbesar sesuai dengan tabel 4.1. Ketika

arah aliran udara kembali dibalik dan sistem memasuki rezim sliding 2,

temperatur pada zona inert A sudah cukup panas walaupun hanya dipanasi selama

20 menit sebelumnya sehingga Q saving-nya masih lebih besar dibandingkan

rezim quasy.

Ketika memasuki rezim dynamic, panas yang disimpan pada rezim sliding

tidak sebesar rezim quasy karena waktu pembalikan yang jauh lebih kecil

daripada waktu steady statenya. Material dolomit hanya dapat menyimpan panas

yang tidak terlalu besar. Hal ini dapat diamati dari nilai To pada awal rezim

22

dynamic (30,8oC) dengan To pada awal rezim sliding 1 (37,4oC). Akibatnya,

penghematan energi pada rezim ini tidak sebesar dua rezim sebelumnya karena

heater harus memanaskan umpan dari To yang tidak jauh berbeda dari To umpan

yang paling awal (26,27oC). Oleh karena itu, dapat ditarik kesimpulan bahwa hasil

percobaan modul Dinamika Proses Perambatan Panas kelompok B90.2.39 telah

sesuai dengan asumsi dan tinjauan pustaka yang telah dipaparkan sebelumnya.

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari percobaan yang telah dilakukan, diperoleh kesimpulan

sebagai berikut:

23

Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kondisi tunak adalah

90 menit.

Switching time pada quasy regime, dynamic regime, dan

sliding regime masing-masing sebesar 120 menit, 90 menit,

dan 20 menit.

Energy saving yang terbesar adalah pada saat sliding regime.

Energy saving pada masing-masing regime adalah:

Quasy regime = 8,65 kJ/kg

Dynamic regime = 3.93 kJ/kg

Sliding regime = 14.08 kJ/kg

5.2 Saran

Saran yang diberikan pada percobaan Dinamika Proses Perambatan

Panas adalah:

Waktu yang dialokasikan untuk percobaan ditambah, sehingga dapat

dilakukan run sebanyak 4 siklus untuk setiap rejim, sehingga

perubahan profil temperatur yang dihasilkan menjadi lebih jelas dan

lebih mudah diamati.

Percobaan dilakukan secara batch untuk setiap rejim, sehingga

temperatur udara umpan dapat dipertahankan konstan agar

perhitungan penghematan energi setiap rejim dapat lebih

diperbandingkan.

24

DAFTAR PUSTAKA

Budhi, Y.W., dkk. 2004. Simulation of Reverse Flow Operation for Manipulation of

Catalyst Surface Coverage in The Selective Oxidation of Ammonia. Elsevier.

Budhi, Y.W. 2008. Diktat Kuliah TK-5058 Intensifikasi Proses. Institut Teknologi

Bandung, Bandung.

G. Kolios, J. Frauhanmer, G. Eigenberg. 2000. Autothermal Fixed Bed Reactor Concepts.

Chemical Engineering Science, Vol.55.

Matros, Yu.Sh., Buminovich, G.H., 1996. Reverse Flow Operation in Fixed Bed

Catalytic Reactors. Catalyst Review Science and Engineering.

http://www.engineeringtoolbox.com/

25

LAMPIRAN A

DATA LITERATUR

A.1 Data Fisik Bahan yang Digunakan

Tabel A.1 Data Fisik Bahan yang Digunakan

BahanCp

(kJ/kg.K)k (W/m.K)

ρ

(kg/m3)

Dolomit 0,92 4,78 2,85

Udara 1,005 0,025 1,2

Stainless stell

SS304L2,85

4,375xT2 – 1,28875x10-2xT

+16,0201475108009

Sumber : www.engineeringtoolbox.com

A.2 Data Rancangan Reaktor

Tabel A.2 Data Rancangan Reaktor

Diameter reaktor 27 mm

Panjang total reaktor 790 mm

Panjang zona pemanas 150 mm

Material reaktor Stainless stell SS304L

Panjang per segmen unggun inert 105 mm

Jumlah segmen zona inertEnam (tiga di sebelah kiri dan tiga

di sebelah kanan)

Material unggun inert Dolomit

Diameter rata-rata partikel unggun 10 mm

26

LAMPIRAN B

CONTOH PERHITUNGAN

B.1 Perhitungan Kecepatan Udara Tekan

Dari data kalibrasi rotameter (lihat Lampiran C), didapatkan persamaan:

q=0,0163 ∆ h0,5−0,0016

Keterangan:

q = laju alir volumetrik ( dm3

s )h = selisih tinggi manometer (cm)

h pada percobaan = 12 cm

q=0,0163 (12)0,5−0,0016

q=0,05dm3

s

v= qA

= 4 q

π D2

Keterangan:

v = kecepatan udara (ms )

A = luas penampang (m2)

D = diameter reaktor (m)

q = laju alir volumetrik (m3

s )D = 27 mm (lihat Lampiran A)

v=4 (0,05 ×10−3)

π ( 27 ×10−3 )2

v = 0,096 ms

27

B.2 Perhitungan Konsumsi Energi untuk Pemanasan Umpan pada

Reaktor Searah

QUFO=∫T0

T r

Cp dT

Keterangan:

QUFO=¿ konsumsi energi untuk pemanasan umpan pada reaktor

searah ( kJkg )

Cp = kapasitas panas udara ( kJkg . K )

T 0 = temperatur udara masuk (K)

T r = temperatur udara keluar (K)

Dari lampiran A, Cpudara= 1,005 ( kJkg . K )

Dari percobaan didapat nilai T 0 dan T r, yaitu:

T 0 = 299,27 K

T r = 352,5 K

QUFO= ∫299,27

352,5

1,005 dT

QUFO=1,005 (352,5−299,27 )

QUFO=53,5 kJkg

B.3 Perhitungan Besar Konsumsi Energi untuk Pemanasan Umpan pada

Reaktor Bolak-Balik.

QRFO=∫t0

tst

∫T RFO

T r

Cp dT dt

∫t0

t st

dt

Keterangan:

(t st−t0 )=¿ rentang waktu switching time (menit)

28

TRFO = temperatur umpan (K)

Data diambil pada sliding regime

(t st−t0 ) = 20 menit

TRFO,1 = 309 K

TRFO,2 = 310 K

QRFO=[ ( 473−309 ) 1,0035+(473−310 ) 1,0035

2 ] 1020

QRFO=¿123,1796 kJkg

B.4 Perhitungan Penghematan Energi

Qsaving=QUFO−QRFO

Pada sliding regime, nilai QRFO=¿123,1796 kJkg

Qsaving=53,5−39,4

Qsavin g=14,1kJkg

29

LAMPIRAN C

HASIL ANTARA

C.1 Kalibrasi Laju Alir terhadap Ketinggian Cairan pada Manometer

Tabel C.1 Data Kalibrasi Laju Alir terhadap Ketinggian Cairan

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.500.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07f(x) = 0.0163174527938385 x − 0.00160852184442702R² = 0.989883429130425

Series2Linear (Series2)

akar ΔH (cm-0.5)

V (d

m3/

s)

Gambar C.1 Grafik Kalibrasi Laju Alir terhadap Ketinggian Cairan pada

Manometer

30

h (cm) (h)0,5 (cm)0,5 V (dm3/s)

2 1.41 0.02

3.5 1.87 0.03

5 2.24 0.04

8 2.83 0.05

8.5 2.92 0.05

C.2 Nilai Konsumsi Energi dan Energi yang Dihemat

Tabel C.2 Konsumsi Energi Reaktor pada Quasy Regime

Tr = 5 Trfo = a ∫∫ Cp dt dT43 2650 26 206.02567 26 326.62570 26.1 426.622565 26.1 416.0777 26.2 450.742566 26.3 454.762580 26.4 468.832580 26.7 537.1725

79.5 26.9 532.147580 27 530.6480 27.1 532.147580 27.3 530.6448 47

73.8 43 159.79578.4 39 352.75581.1 37 419.587582.6 40 435.667584.2 39 441.19586.1 38 468.832586.8 37 491.947587 37 501.495

87.2 36 508.5387.8 36 517.57588.4 36 523.60588.8 36 528.63

total 1085,85∫∫ Cp dt dT / ∫ dt 46,07

Tabel C.3 Konsumsi Energi Reaktor pada Dynamic Regime

Tr = 5 Trfo = a ∫∫ Cp dt dT62 30.8 380.89574 29.4 466.3277 28.8 491.445

78.5 28.2 513.052580 28.2 517.072579 27.9 518.5880 27.9 538.6883 27.9 554.257583 27.8 380.895

31

total 4461,2∫∫ Cp dt dT / ∫ dt 49,82

Tabel C.4 Konsumsi Energi Reaktor pada Sliding Regime

Tr = 5 Trfo = a ∫Cp dt dT57 37.475 32.8 310.54578 30.6 450.24

62.8 3579.4 35 362.80581.8 36 453.255

total 1576,85∫∫ Cp dt dT / ∫ dt 39,62

Tabel C.5 Energi yang Dihemat pada Setiap Daerah Operasi

Q saving (kJ/kg)

Quasy 8,43

Dinamik 3,68

Sliding 13,88

32

LAMPIRAN D

DATA MENTAH PERCOBAAN

D.1 Temperatur pada Tiap Titik Termokopel pada Waktu Tertentu

Tabel D.1 Nilai Temperatur untuk Tiap Posisi Termokopel pada Daerah Operasi Quasy

dari Percobaan

t (menit)

Temperatur

5 4 3 2Heate

ra udara c d e delta H

0 26 25.9 26.9 34.5 150 43 29 38 41 34 1210 26 25.9 27.4 37.5 150 50 29 41 45 35 1620 26 25.9 27.7 39.1 150.5 67 30 47 51 37 1630 26.1 25.9 28.3 41.3 149.8 70 30 51 58 41 13.540 26.1 26 28.8 43.1 149.7 65 30 55 60 41 1250 26.2 26.2 29.5 44.6 150 77 30 56 64 44 1060 26.3 26.3 29.6 44.5 150.3 66 30 58 66 43 15.570 26.4 26.5 30.1 45.7 150.1 80 30 63 67 44 1280 26.7 26.7 30.7 46.8 149 80 31 65 68 44 11.590 26.9 26.9 30.5 45.8 149.7 79.5 31 62 71 45 14

100 27 27.1 46.4 46.4 150.5 80 31 62 72 44 13.5110 27.1 27.2 47.3 47.3 150.8 80 31 64 73 45 11.5120 27.3 27.4 48 48 150.4 80 32 66 76 47 10

0 27.3 27.4 31.6 48 150.4 82 32 66 76 47 1010 28.5 39.8 54.9 73.8 154 75 32 61 60 43 1520 30.5 46.6 62.6 78.4 150.8 69 32 57 51 39 1330 32.5 51 63.8 81.1 152.3 61 32 52 46 37 1140 34.3 54.3 66.4 82.6 150.2 61 32 50 44 40 9.250 36.2 57.9 68.7 84.2 150.3 57 32 46 41 39 15.460 38 60.4 70.3 86.1 150.6 56 32 44 39 38 13.170 39.4 62 73.1 86.8 150.6 56 32 42 38 37 11.680 40.3 62.9 74.8 87 152.5 54 32 41 37 37 9.990 41.3 64.4 74.4 87.2 149.7 52 32 39 36 36 14.7

100 42.2 65.1 74.8 87.8 146.7 51 32 38.5 35 36 13.6110 43.1 66.1 75.4 88.4 152.2 51 32 38 35 36 11.7120 43.7 66.5 75.4 88.8 151.2 51 32 38 35 36 10.5

33

Tabel D.2 Nilai Temperatur untuk Tiap Posisi Termokopel pada Daerah Operasi Dynamic

dari Percobaan

t (menit)

Temperatur

5 4 3 2Heate

ra udara c d e delta H

0 30.8 52.2 69.9 81.8 150.9 62 32 51 42 36 11.310 29.4 39.4 53.2 65.1 149.9 74 32 70 58 40 16.720 28.8 35.4 45.7 58.8 149.8 77 32 72 64 40 1330 28.5 33.1 41.6 55.9 150 76 32 73 67 39 1240 28.2 31.6 39 54.1 151.4 78.5 32 77 72 39 1050 28.2 30.8 37.2 52 149.6 80 32 77 73 44 16.560 27.9 30 35.8 50.8 153 79 32 77 75 45 15.770 27.9 29.7 35.1 51 152.5 80 32 78 76 45 12.780 27.9 29.4 34.4 49.9 150.4 83 32 79 77 45 1790 27.8 29 33.7 49.2 151 83 32 79.5 78 44 16.4

Tabel D.3 Nilai Temperatur untuk Tiap Posisi Termokopel pada Daerah Operasi Sliding

dari Percobaan

t (menit)

Temperatur

5 4 3 2Heate

ra udara c d e delta H

0 37.4 60.5 76.6 85.7 151.5 57 33 44 38 38 1210 32.8 45.4 59.1 69.5 150.3 75 33 67 55 44 10.520 30.6 39.8 50.9 63.2 150 78 32 71 62 46 120 27 36.9 50.5 62.8 150 77 33 70 62 35 13.910 28.7 48.2 66.3 79.4 149 67 33 54 49 35 11.820 30.8 52.2 69.9 81.8 150.9 62 32 51 42 36 11.3

34