Tugas

Pemecahan Permasalahan Teknik Kimia (Reaktor)

PEMODELAN MATEMATIS SISTEM PENCAMPURAN

MULTIFASA DAN DISTRIBUSI SUHU DALAM REAKTOR

PENCAIRAN BATUBARA SEHINGGA DIPEROLEH

KONDISI OPTIMUM

Oleh :

Tiara Octavianing Pradilis NIM : 091424030

POLBAN

PROGRAM STUDI D-IV TEKNIK KIMIA PRODUKSI BERSIH

JURUSAN TEKNIK KIMIA

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2013

Kebutuhan bahan bakar minyak (BBM) mengalami peningkatan dari tahun ke

tahun sedangkan cadangan minyak mentah diperkirakan akan habis dalam beberapa

kurun waktu. Salah satu solusi untuk mengatasi masalah kelangkaan BBM adalah

mencari alternatif lain pengganti minyak melalui proses pencairan batubara.

Pencairan batubara merupakan proses pengkonversian batubara padat menjadi

bahan bakar cair pada kondisi operasi (suhu dan tekanan) tinggi. Pada kondisi ini,

hidrogen dan katalis harus ditambahkan untuk mendapatkan bahan bakar cair dan

memperbaiki efisiensi proses. Pada skala laboratorium, pencairan batubara peringkat

rendah dilakukan dalam autoclave berpengaduk 1 liter dengan katalis limonit dan pelarut

minyak berat. Proses pencairan batubara melibatkan reaksi perengkahan dan hidrogenasi

yang sangat kompleks serta membutuhkan kondisi operasi tinggi (tekanan 8 - 12 Mpa dan

suhu 430 - 4500C) dengan waktu tinggal 60 menit. Oleh karena itu, diperlukan pemodelan

matematis untuk menyederhanakan proses sehingga diperoleh kondisi operasi yang

optimum. Pada penelitian ini, pemodelan matematis proses pencairan batubara

menggunakan software Fluent 6.3, yang merupakan paket Computational Fluid Dynamic

(CFD). Dari hasil simulasi dapat diketahui yield produk yang dihasilkan dari proses

pencairan batubara pada berbagai kandisi operasi.

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan alat desain yang digunakan untuk

menyelesaikan permasalahan-permasalahan dinamika fluida dalam proses kimia. CFD

dapat memberikan informasi mengenai konsentrasi, kecepatan, tekanan dan temperatur di

dalam peralatan proses. Selain itu CFD juga bisa digunakan untuk menyelesaikan

permasalahan-permasalahan satu fasa, demikian juga halnya dengan aliran multifasa atau

reaksi yang sangat kompleks.

CFD digunakan untuk memberikan pemahaman yang lebih baik mengenai

pencampuran sistem multifasa di dalam reaktor tanpa melibatkan reaksi kimia. Hal ini

untuk memastikan bahwa pencampuran yang sempurna terjadi di dalam reaktor.

Pencampuran diperlukan untuk meningkatkan reaksi selama proses kimia. Pencampuran

yang tidak ideal pada proses pencairan bisa menyebabkan gradien konsentrasi tinggi.

Software FLUENT 6.3 merupakan salah satu paket CFD yang digunakan untuk

menggambarkan pencampuran multifasa di dalam reaktor. Melalui pemodelan ini juga

dapat diprediksi fraksi volum masing-masing fasa, distribusi temperatur dan vektor

kecepatan di dalam reaktor.

Persamaan-persamaan yang diperlukan untuk memodelkan pencairan batubara

antara lain :

1. Persamaan-persamaan Konservasi

Persamaan konservasi fasa i (i = fluida, solid)

(1)

dimana: (2)

ri merupakan laju reaksi penguraian dan pembentukan senyawa i. Reaksi pencairan

batubara melibatkan reaksi perengkahan dan hidrogenasi katalitik yang sangat kompleks.

Untuk itu, dalam penelitian ini digunakan model kinetika yang dikembangkan Li dkk (2008),

dimana reaksi pencairan batubara dipengaruhi oleh pembentukan Preasphaltene dan

Asphaltene (PAA), selanjutnya PAA akan terkonversi menjadi minyak dan gas (M+O):

Dengan mengasumsi reaksi yang terjadi merupakan reaksi irreversible berorde satu,

maka persamaan kinetika reaksi yang dipakai adalah

Persamaan konservasi momentum fasa i (i = fluida, solid, k≠i)

(3)

Persamaan konservasi energi fasa i :

(4)

dimana: (5)

2. Persamaan-Persamaan Pendukung

Koefisien pertukaran Fluida-Solid

Untuk aliran multifasa Eulerian-eulerian, pertukaran momentum antar fasa didasarkan

pada nilai koefisien pertukaran fluida-solid (). Dengan mengunakan

Syamlal-O’Brian Model :

(6)

Drag coefficient untuk Syamlal-O’Brian model, CD :

(7)

dimana:

(8)

(9)

(10)

for and for εg>0.85 (11)

Tekanan Solid

(12)

(13)

s adalah temperatur granular yang berhubungan dengan energi turbulen kinetic

gerakan partikel. es adalah koefisin restitusi partikel dan go adalah fungsi distribusi radial

(Sinclair and Jackson, 1989):

(14)

Solids Shear Stress

Solid phase bulk viscosity:

(15)

The solids phase shear viscosity:

(16)

Solid phase dilute viscosity:

(17)

dimana (18)

Temperatur Granular

(19)

Diffusion coefficient for granular energy, ks:

(20)

dimana:

(21)

The collisional energy dissipation, γs:

(22)

k- Turbulence Models

Karena adanya pengadukan serta tekanan gas yang cukup tinggi, maka reaktor

pencairan batu bara berada pada kondisi turbulen. Oleh karena itu, perlu menggunakan

pemodelan turbulensi yang cocok untuk menggambarkan pengaruh fluktuasi turbulen

kecepatan dan variable lain. k- model digunakan untuk menggambarkan gerakan

turbulen dalam kedua fasa. Pada k- model, viskositas turbulen didefinisikan sebagai

sebagai:

(23)

Energi kinetik turbulensi, k, dan laju dissipasi , bisa dihitung dari persamaan perpindahan berikut:

(24)

(25)

Prosedur Numeris

Gambar 1 menggambarkan geometri reaktor pencairan batubara. Geometri ini

dibuat menggunakan pre-processor GAMBIT, yang merupakan salah satu tahapan dalam

software FLUENT 6.3. Simulasi dilakukan pada reaktor yang mempunyai diameter 7,5

cm serta tinggi 26 cm.

Pada awalnya, slurry batubara, pelarut heavy-oil, dan katalis diletakkan pada bagian

bawah reaktor sampai pada ketinggian diatas pengaduk. Fraksi volum batubara adalah

30 %, dengan diameter partikel batubara 75 μm. Temperatur reaktor 450oC dan tekanan

12 MPa. Skema reaktor dan posisi awal slurry ditunjukkan pada gambar 1. Simulasi

dilakukan selama 60 menit waktu pencampuran. Asumsi yang digunakan dalam

perhitungan:

Reaksi orde satu, irreversibel

Ukuran diameter partikel batubara sama

Gambar 1. Geometri Reaktor Pencairan Batubara

HASIL DAN PEMBAHASAN

Temperatur Slurry batubara dalam reaktor

Gambar 2. Profil Temperatur Slurry Batubara pada waktu (menit) : (a) 10; (b) 30; (c) 60

Gambar (a) menunjukkan profil slurry batubara pada waktu 10 menit, dimana

range temperatur di sepanjang reaktor yaitu 722,99oK sampai 796,16oK. Temperatur di

sekitar pengaduk hampir homogen yaitu 723oK, hal ini dikarenakan pengadukan

sempurna dalam reaktor dan menandakan sudah mulai terjadi reaksi. Temperatur

tertinggi terdapat pada ketinggian 22-26 cm, kenaikan temperatur pada bagian atas

reaktor ini dikarenakan sudah mulai terbentuk gas-gas ringan hasil reaksi pencairan

batubara, antara lain gas CO, CO2, dan C1-C4.

Pada waktu reaksi 30 dan 60 menit, temperatur di sepanjang reaktor sudah

mencapai range yang konstan yaitu 722,9oK sampai 800oK. Temperatur 723oK (450oC) di

bagian bawah reaktor sama dengan temperatur proses pencairan batubara, hal ini terjadi

karena adanya pengaruh pengadukan. Pengadukan menyebabkan ketinggian slurry

batubara dalam autoclave naik dari keadaan awal 6 cm dari dasar autoclave menjadi 11

cm. Hal ini disebabkan karena tipe impeller yang digunakan adalah tipe flat, sehingga

pengadukan hanya terjadi disekitar impeller (pengadukan terjadi pada arah axial saja).

Karena pengaruh pengadukan ini maka campuran multifasa di bagian bawah autoclave

lebih homogen, sehingga dapat meningkatkan persen yield dan konversi coal liquid yang

dihasilkan.

Yang membedakan profil temperatur pada waktu 30 menit dan 60 menit hanyalah

posisi temperatur tertinggi dan terendah-nya berdasarkan ketinggian reaktor. Perbedaan

ini dikarenakan proses pencairan batubara melibatkan reaksi hidrogenasi dan reaksi

perengkahan yang sangat kompleks. Reaksi hidrogenasi merupakan reaksi yang sangat

eksotermis, sedangkan reaksi perengkahan merupakan reaksi endotermik, dimana jumlah

panas yang dilepaskan selama hidrogenasi lebih besar daripada jumlah panas yang

dibutuhkan untuk reaksi perengkahan. Perbedaan jumlah panas ini menyebabkan

kenaikan temperatur reaktor dan juga mempercepat laju reaksi. Selain itu, jumlah gas-gas

yang terbentuk juga semakin banyak sehingga mempengaruhi temperatur bagian atas

reaktor. Hal inilah yang menyebabkan termperatur bagian atas reator mencapai 800oK.

Untuk lebih jelas perbandingan antara profil temperatur slurry batubara pada menit ke-

10, 30, dan 60 dapat dilihat pada gambar 3.

Gambar 3. Perbandingan Profil Temperatur Slurry Batubara dalam autoclave pada waktu : (a) 10

menit; (b) 30 menit; (c) 60 menit

Dari gambar di atas dapat dilihat profil temperatur slurry batubara pada menit ke-

10 dan 30 cenderung naik di sepanjang reaktor yang mengindikasikan bahwa reaksi telah

terjadi dan sudah mulai terbentuk gas-gas ringan hasil reaksi, sedangkan pada menit ke

60 menit, temperatur cenderung konstan di ketinggian 11 cm, hal ini dikarenakan reaksi

telah selesai dan gas yang terbentuk juga semakin bertambah. Melalui hasil simulasi ini

dapat dibuktikan bahwa temperatur slurry batubara dalam reaksi pencairan batubara

tidaklah isothermal (723oK sesuai kondisi operasi proses), melainkan bervariasi antara

723oK sampai 800oK.

Yield Produk Distilat dan CLB Pada Berbagai Temperatur

Pengaruh perubahan temperatur pada yield distilat dapat dilihat pada gambar 3.

Data hasil percobaan menunjukkan bahwa jumlah produk distilat meningkat dengan

bertambahnya temperatur, kenaikan produk terbesar adalah pada suhu 4500C (723 K).

Sementara hasil simulasi tidak menunjukkan kenaikkan produk yang cukup signifikan

dengan naiknya suhu. Pada suhu 450 dan 470 0C, jumlah yield distilat yang dihasilkan

dari data percobaan dan simulasi hampir mendekati sama yaitu sekitar 37.7 % sampai

40.5 %. Dari hasil eskperimen dan modeling dapat disimpulkan bahwa yield distilat

optimum diperoleh pada saat suhu operasi 4500 C (723 K).

Gambar 4. Yield Produk Distilat pada Berbagai Temperatur

Gambar 5 menunjukkan pengaruh perubahan temperatur pada yield Coal Liquid

Bottom (CLB). Hasil percobaan menunjukkan bahwa dengan semakin naiknya temperatur

maka yield CLB semakin menurun. Namun demikian, hasil simulasi menunjukkan bahwa

kenaikan suhu tidak menyebabkan bertambahnya produk CLB. Pada suhu 4300C, yield

CLB hasil simulasi dan data percobaan mendekati sama yaitu sekitar 49%.

Gambar 5. Yield Produk CLB pada Berbagai Temperatur

Profil Konsentrasi Batubara dalam Reaktor

Gambar 6 menunjukkan profil konsentrasi batubara selama proses pencampuran.

Daerah yang berwarna merah menunjukkan konsentrasi batubara tertinggi dan daerah

yang berwarna biru menunjukkan konsentrasi batubara terendah. Dari gambar ini dapat

dilihat bahwa semakin lama waktu, maka konsentrasi batubara semakin berkurang. Hal

ini disebabkan oleh melarutnya sebagian batubara ke dalam pelarut (terjadi perpindahan

massa antara batubara dan pelarut).

t = 0 t = 0.1 detik t = 1 detik

t = 5 detik t = 20 detik t = 180 detik

Gambar 6 . Profil konsentrasi batubara selama proses pencampuran t = 0 - 180 detik

Pola Alir Kecepatan Batubara Pada Berbagai Waktu

Pola alir kecepatan batubara pada berbagai waktu selama proses pencampuran

dihadirkan pada gambar 7. Seperti terlihat pada gambar tersebut bahwa kecepatan

tertinggi terjadi disekitar pengaduk. Setelah waktu 5 detik, pola alir kecepatan batubara

hampir sama. Hal ini menunjukkan bahwa proses pencampuran dalam reaktor telah

mendekati sempurna.

0.1 detik 1 detik 5 detik 20 detik 180 detik

Gambar 7. Profil kecepatan batubara selama proses pencampuran

Vektor Kecepatan Slurry Batubara dalam Reaktor

Gambar 8 . Vektor kecepatan batubara setelah 180 detik proses pencampuran.

Dari gambar 8 dapat disimpulkan bahwa aliran dalam reaktor menunjukkan pola

alir radial-aksial. Kecepatan batubara tertinggi diperoleh di sekitar zona pengaduk. Hal

ini disebabkan karena pengaruh pengaduk pada proses pencampuran. Putaran tidak

mencapai bagian atas reaktor, karena pisau (blade) dari pengaduk tidak mencapai bagian

atas. Larutan slurry hanya ditempatkan pada ketinggian 6 cm dari bagian bawah reaktor.

KESIMPULAN

Hasil pemodelan telah menunjukkan bahwa software FLUENT 6.3 (paket CFD)

dapat menggambarkan pola alir dan dinamika proses pencampuran multifasa di dalam

reaktor pencairan batubara. Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa software

FLUENT 6.3 (paket CFD) dapat menggambarkan profil temperatur slurry batubara di

sepanjang autoclave pencairan batubara. Suhu reaktor tidaklah isothermal, tetapi

bervariasi antara 723oK sampai 800oK.

Konsentrasi batubara semakin berkurang dengan semakin lama waktu

pencampuran. Hal ini menunjukkan proses pelarutan batubara padat ke dalam pelarut

terjadi hampir sempurna. Aliran dalam reaktor menunjukkan pola alir

aksial-radial. Kecepatan batubara tertinggi diperoleh di sekitar zona pengaduk. Dari hasil

komputasi dapat disimpulkan bahwa pencampuran sempurna terjadi pada bagian bawah

reaktor. Hal ini dibuktikan dengan kehomogenan suhu pada zona ini yaitu sekitar 450oC

(723 K). Yield distilat dan CLB yang diperoleh dari pemodelan CFD hampir mendekati

yield distilat hasil percobaan. Kondisi optimum diperoleh pada saat suhu operasi 450oC.

Hasil pemodelan ini dapat memberikan masukan dan penyelesaian masalah

mengenai pemodelan kinetika reaksi perengkahan dan hidrogenasi pada proses pencairan

batubara.

DAFTAR PUSTAKA

ANSYS, Fluent 6.3 Documentation (2008).

Benyahia, S., Arastoopour, H. & Knowlton, T. M., (2002) Two-dimensional transient

numerical simulation of solids and gas flow in the riser section of a circulating

fluidized bed. Chem. Eng. Commun., 189, 510-527.

Cundari, Lia dan Novia. 2011. Pemodelan CFD Proses Pencairan Batubara : Distribusi

Suhu Slurry Batubara dalam Auotoclave. Inderalaya : Fakultas Teknik Universitas

Sriwijaya.

Gao, J., Xu, C., Lin, S., Yang, G. & Guo, Y., (1999) Advanced model for turbulent gas-

solid flow and reaction in FCC riser reactors. AIChE J., 45, 1095.

Shen, Y.S., Guo, B.Y., Zulli, P., Maldonado, D. and Yu, A.B., 2006, A Three-

dimensional CFD Model for Coal Blends Combustion: Model Formulation and

Validation, 5th International Conference on CFD in the Process Industries.

Van Wachem, B. G. M., Schouten, J. C., Krishna, R. & Van Den Bleek, C. M. (1999)

Validation of the Eulerian simulated dynamic behaviour of gas-solid fluidised beds.

Chem. Eng. Sci., 54, 2141-2149.