BAB I,II,III Dan Spesifikasi Alat

Kelompok 22/S.Ganjil/2013-2014

BAB I. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Perancangan Reaktor Gasifikasi biomassa merupakan reaksi konversi termal endotermik yang mengubah bahan bakar padat menjadi gas yang mudah terbakar. Saat ini terdapat 3 (tiga) jenis utama reaktor gasifikasi yaitu reaktor unggun tetap (fixed bed), reaktor unggun terfluidakan (fluidized bed), dan reaktor entrained flow. Ketiga jenis reaktor tersebut memiliki keunggulan dan kelemahan masing-masing. Proses yang digunakan pada pembuatan metanol yaitu Gasifikasi dan sintesa metanol dari bahan baku biomassa. Beberapa kriteria pelakasanaa reaksi di reaktor masing-masing yaitu: o Suhu dan tekanan operasinya o Gas-gas pereaksinya o Gas-gas produk o Pengaturan secara fisik bahan-bahan reaksi o Reaksi kinetik o Alamiah dari abu yang keluar Untuk proses gasifikasi digunakan reaktor dengan jenis fluidized bed, sedangkan untuk penggunaan reaktor pada proses sintesa metanol yaitu reaktor fixed bed.

1.2

Fluidized Bed Gasifier Reaktor Terdapat 2 (dua) jenis pengoperasian reaktor unggun terfluidakan yaitu

bubbling fluidized bed (BFB) dan circulating fluidized bed (CFB). Gasifier jenis ini menggunakan unggun yang terdiri dari inert (pasir atau arang (char) atau kombinasi keduanya). Inert ini digunakan berfungsi sebagai pengatur panas agar temperatur operasi tetap. Pada gasifier jenis ini, bahan bakar yang digunakan berupa padatan biomassa yang berukuran kurang dari 8 mesh (0.5 – 5 mm). Bahan baku tersebut dimasukkan pada bagian atas unggun atau langsung pada unggun kemudian dialirkan dengan bantuan gas sehingga bergerak seperti fluida dan membentuk unggun fluidisasi. Pencampuran bahan bakar dan cepatnya perpindahan panas pada bahan bakar akibat fluidisasi menyebabkan temperatur didalam gasifier seragam. Gas (campuran steam dan oksigen atau udara) yang digunakan dialirkan dari bawah bagian unggun. Laju aliran gas yang digunakan sekitar 1 – 2 ft/s. Hal ini dimaksudkan untuk menjaga kondisi unggun agar terfluidisasi. Sedangkan abu yang dihasilkan diambil dari bagian bawah gasifier dan didinginkan oleh umpan gas masuk. Sebelum bahan bakar dimasukkan kedalam gasifier, unggun dipanaskan dengan pemanasan luar hingga mencapai suhu sekitar 500 0C. Suhu keluaran dari gasifier ini berkisar atara 700 – 900 0C. Residence time gasifier jenis ini berkisar antara 5 – 50 detik dan beroperasi pada suhu konstan, yaitu 760 – 1040 0C. Suhu

Kelompok 22/S.Ganjil/2013-2014

tinggi tersebut dimaksudkan untuk mencegah terjadinya aglomerasi dan pembentukan kerak. Gasifier jenis ini mudah dibuat, tetapi pengoperasiannya memerlukan pengendalian yang cermat, terutama pengaturan laju alir udara dan kebutuhan oksigen dalam proses gasifikasi.

Gambar 1. Fluidized Bed Reactor Berdasarkan beberapa pertimbangan seperti dari segi biaya, kerumitan dan efisiensi sehingga dipilih jenis gasifier fluidisasi untuk produksi gas sintesis dengan skala besar. Dari kedua proses yang ditawarkan untuk gasifikasi dengan reaktor fluidisasi maka digunakan IGT gasifier. Pengaturan temperatur di dalam gasifier dengan mengontrol jumlah udara atau bahan bakar yang masuk gasifier. Kecepatan udara yang dipakai untuk fluidisasi bahan-bakar sekitar 5-10 m/s. Produk gasifikasi berupa CO2, CO, H2, CH4, H2O, dan karbon tak terbakar. Persamaan reaksi untuk gasifikasi-uap tandan kosong sawit adalah Biomassa + O2

CxHz + CnHmOk + CO + H2 + kalor……

(1)

Hasil yang diperoleh dari gasifikasi biomas merupakan campuran beberapa macam gas. Komponen utama bahan bakar dalam gas biomas adalah H2 dan CO. Kandungan CO dalam gas biomas 15 – 30%, sedang H2 antara 10 – 20% (Turare,

Kelompok 22/S.Ganjil/2013-2014

1997). Pers.(1) merupakan persamaan umum gasifikasi-uap. Reaksi-reaksi selang biasanya berlangsung pada saat proses gasifikasi. Reaksi-reaksi selang tersebut adalah: Gasifikasi uap C + H2O

CO + H2 …………………………………

(2)

2 CO ……………………………………..

(3)

Reaksi Boudouard C + CO2

Reaksi pembentukan metana (methanation reaction) C + 2 H2

CH4 ……………………………………. (4)

Reaksi pergeseran air-gas CO + H2O

CO2 + H2 ………………………………

(5)

Salah satu reaksi yang berjalan di dalam reaktor gasifikasi adalah reaksi oksidasi komponen C, H, dan O dalam biomassa menjadi CO2 dan H2O. Pada proses gasifikasi jenis reaktor yang dipilih yaitu reaktor bubbling fluidized bed (BFB) Di dalam reaktor BFB, aliran gas mengalir ke atas melalui unggun yang terdiri atas mate Bubbling (BFB) rial granuler yang bebas bergerak (misalnya pasir). Kecepatan aliran gas harus cukup tinggi untuk menjaga agar pasir tetap berada pada kondisi terfluidisasi. Gas yang digunakan umumnya adalah udara, oksigen, ataupun kukus. Sedangkan material pasir yang umum digunakan adalah dolomite, calcite, atau alumina. Jenis reaktor unggun terfluidakan memiliki keunggulan dalam hal pencampuran yang baik serta perpindahan massa dan panas yang baik pula. Gasifikasi yang dijalankan pada reaktor jenis ini sangat efisien dan umumnya dapat mencapai konversi karbon 95-99%. Debu yang terbawa oleh gas dipisahkan menggunakan siklon.  Keunggulan penggunaan gasifier BFB adalah: o Perolehan gas produk lebih seragam o Profil temperatur di sepanjang reaktor lebih seragam o Rentang ukuran partikel yang dapat dioperasikan dalam gasifier ini lebih lebar, termasuk partikel halus .Laju perpindahan panas antara material inert, bahan bakar, dan gas lebih cepat. o Konversi tinggi sedangkan produk tar dan karbon yang tak terkonversi rendah Kekurangan utama penggunaan gasifier BFB adalah kemungkinan terbentuknya ukuran gelembung yang besar di sepanjang unggun.

Kelompok 22/S.Ganjil/2013-2014

Gambar 1. Skema Reaktor Bubbling Fluidized Bed Sumber: Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004 1.2.1 Mekanisme Kerja Fluidized Bed Reactor  Reaktan dimasukkan dari bagian bawah reaktor  Sebagian kecil katalis disuspensikan oleh reaktan yang berwujud gas ke dalam fluidized bed  Sebagian padatan kecil dari katalis dapat lepas dari atas reaktor  Padatan terlepas dari reaktor dipisahkan dengan menggunakan siklon untuk membuang padatan.  Kemudian gas tersebut digunakan kembali ke dalam reaktor. 1.2.2 Kelebihan dan Kekurangan Kelebihan dari Fluidized Bed Reactor yakni:  Reaktor mempunyai kemampuan untuk memproses fluida dalam jumlah yang besar  Pengendalian temperatur lebih baik  Pencampuran (mixing) yang bagus untuk katalis dan reaktan Kelemahan dari Fluidized Bed Reactor yakni:  Partikel mengalami keausan yang dapat menyebabkan mengecilnya ukuran partikel yang berada di dalam reaktor dan ikut mengalir bersama aliran gas sehingga perlu digunakan alat cyclone separators dan aliran listrik yang disambungkan pada garis antara reaktor dan generator.  Adanya peningkatan keabrasivan dimana penyebabnya adalah partikel padat di dalam proses cracking pada fluidized bed.  Tidak mempunyai fleksibilitas terhadap perubahan panas. 1.2.3 Aplikasi Fluidized Bed Reactor Beberapa aplikasi dari Fluidized Bed Reactor :

Kelompok 22/S.Ganjil/2013-2014

Pembuatan LLDPE (Linear Low Density Polyethylene) Salah satu produk polietilen adalah LLDPE (Linear Low Density Polyethylene). Teknologi yang dapat dipakai dalam pembuatan LLDPE diantaranya polimerisasi fase gas (gas-phase fluidized-bed polymerization). Proses ini memiliki spesifikasi katalis tertentu yang membantu jalannya reaksi. Proses polimerisasi fase gas pertama kali dibangun oleh Union Carbide pada tahun 1977, dan dipatenkan dengan nama Unipol process. Teknologi ini juga dikembangkan oleh British Petroleum Company. Teknologi ini hemat secara ekonomi, fleksibel, dan memiliki kisaran yang luas dalam penggunaan katalis padat. 1.

Gambar 2. Polimerisasi fasa gas ( Union Carbide) Proses Unipol menggunakan reaktor fluidized bed dengan bagian untuk berlangsungnya reaksi berbentuk silinder, dan bagian yang mengembang untuk menurunkan kecepatan gas sehingga memungkinkan entrained particles polymer jatuh kembali ke dalam unggun (bed). Tinggi reaktor dapat mencapai 25 meter, reaktor beroperasi pada tekanan 1,5-2,5 MPa (15-25 atm) dengan temperatur 70 sampai 95 oC. Gasifikasi unggun terfluidakan dioperasikan pada temperatur relatif rendah, yaitu 800 – 1000 °C. Temperatur operasi tersebut berada di bawah temperatur leleh abu sehingga penghilangan abu yang dihasilkan pada gasifikasi jenis ini lebih mudah. Hal inilah yang menyebabkan gasifikasi unggun terfluidakan dapat digunakan pada pengolahan biomassa dengan kandungan abu tinggi

Kelompok 22/S.Ganjil/2013-2014

sehingga rentang penerapan gasifikasi unggun terfluidakan lebih luas daripada gasifikasi jenis lainnya. Gasifier unggun terfluidakan memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan gasifier jenis lainnya, yaitu:  Rentang penanganan jenis bahan bakar lebar.  Tingkat perpindahan panas dan massa bahan bakar tinggi.  Nilai pemanasan tinggi. 1.3

Reaktor Fixed Bed Reaktor Fixed Bed adalah reaktor dengan menggunakan katalis padat yang diam dan zat pereaksi berfase gas. Butiran-butiran katalisator yang biasa dipakai dalam reaktor fixed bed adalah katalisator yang berlubang di bagian tengah, karena luas permukaan persatuan berat lebih besar jika dibandingkan dengan butiran katalisator berbentuk silinder, dan aliran gas lebih lancar. Dalam rancangan pabrik metanol ini, Reaktor fixed bed digunakan sebagai reaktor reformer dan sintesa metanol. Jenis reaktor fixed bed yang digunakan adalah multiturbuler. Didalam reaktor multiturbuler, katalisator diisi lebih dari satu tumpuk, fixed bed dengan katalisator lebih dari satu tumpuk banyak dipakai dalam proses adiabatic. Jika reaksi yang terjadi sangat eksotermis pada konversi yang masih kecil suhu gas sudah naik sampai lebih tinggi dari suhu maksimum yang diperbolehkan untuk katalisator, maka gas harus di dinginkan terlebih dahulu kedalam alat penukar panas diluar reactor untuk di dinginkan dan selanjutnya dialirkan kembali ke reaktor melalui tumpukan katalisator kedua jika konversi gas yang keluar dari tumpukan kedua belum mencapai yang direncanakan, tetapi suhu gas sudah lebih tinggi dari yang diperbolehkan maka dilakukan pendinginan lagi dengan mengalirkan gas kea lat penukar panas kedua kemudian di kembalikan ke reactor yang masuk melalui tumpukan katalisator ketiga dan seterusnya sampai diperoleh konversi yang diinginkan. Jika reaksi bersifat endotermis maka penukar panas diluar reactor dapat digunakan untuk pemanas gas reaksi. Pada proses reforming yang berlangsung didalam reaktor fixed bed, hidrokarbon yang dirubah menjadi CO dan H2 pada suhu tinggi dengan menggunakan katalis (biasanya berbasis nikel), dan ter (Katofsky,1993). Steam reforming adalah metode yang sering di gunakan untuk menghasilkan gas sintesis dari gas alam atau gas gasifier. Proses endotermik banyak terjadi pada katalis berbasis nikel. Reaksi nya adalah: CH4 + H2O

CO + 3H2

C2H4 + 2H2O

2CO + 4H2

Kelompok 22/S.Ganjil/2013-2014

C2H6 + 2H2O

2CO + 5H2

Reforming biasanya lebih baik dilakukan pada tekanan yang lebih rendah, di bandingkan dengan tekanan yang lebih tinggi. Steam reforming biasanya beroperasi pada 1-3.5 MPa. Sedangkan pada proses sintesa metanol yang berlangsung didalam reaktor fixed bed turbular, metanol yang diproduksi dengan reaksi hidrogenasi karbon oksida lebih cocok menggunakan katalis seperti oksida tembaga, seng oksida, atau kromium oksida. Seperti reaksi berikut : CO + 2H2

CH3OH

CO2 + 3H2

CH3OH + H2O

Reaksi pertama adalah reaksi sintesis metanol primer, yaitu sejumlah kecil CO2 di dalam umpan sekitar ( 2-10 % ) yang biasanya bertindak sebagai promotor pada reaksi primer dan membantu dalam mengontrol aktivitas katalis. Stoikiometri dari kedua reaksi dipenuhi jika nilai R 2,03 (Katofsky 1993). Ket :

Diameter dalam tube, IDt Diameter luar tube, ODt Diameter dalam shell, IDS Diameter luar, OD Tebal plate, ts Tebal head, th Panjang tube, Z Panjang head, L Jarak baffle, B

Gambar 3. Penampang tampak samping reaktor multibed

Gambar 4. Penampang tampak dalam, reaktor multibed

Kelompok 22/S.Ganjil/2013-2014

Gambar 5. Penampang samping dalam, reaktor multibed

Gambar 6. Penampang ukuran dalam reaktor multibed

Gambar 7. Penampang susunan pipa dalam, reaktor multibed

Kelompok 22/S.Ganjil/2013-2014

Bab II. Dasar Perancangan Dasar-dasar perancangan reaktor yang digunakan dalam pengambilan keputusan yaitu stoikiometri dan sifat reaksi yang meliputi waktu tinggal, kondisi reaksi, sifat fisik dari reaktan, aktivitas, fasa, kemudahan pemisahan, korosivitas, stabilitas, kemudahan kontrol proses dan factor keselamatan proses. 2.1 Jenis Reaktor Pada proses sintesa metanol dari bahan baku berupa TKS dilakukan dengan menggunakan dua reaktor. Reaktor tersebut terdiri dari reaktor gasifikasi fluidized bed, dan reaktor sintesa metanol. Pada proses gasifikasi digunakan reaktor fluidized bed (Bubbling Fluidized Bed). Di dalam reaktor ini, aliran gas mengalir ke atas melalui unggun yang terdiri dari material granular yang bebas bergerak. Kecepatan aliran gas harus cukup tinggi untuk menjaga agar partikel unggun tetap berada pada kondisi terfluidisasikan. Jenis reaktor fluidized bed memiliki keunggulan dalam hal pencampuran yang baik serta perpindahan massa dan panas yang baik pula. Sedangkan pada proses metanolisis digunakan raktor fixed bed multitubular. Reaktor ini terdiri dari pipa-pipa yang berisi katalis nikel. Fixed Bed Multitubular dipilih karena perbedaan fasa reaktan dan katalis serta tingginya suhu yang dibutuhkan di reaktor. 2.2 Material Reaktor Pemilihan material konstruksi yang digunakan untuk reaktor ini adalah Carbon Steel SA 285 Grade C dan Carbon Steel SA 240 Grade B. Material konstruksi pipa reaktor adalah steel. Pemilihan jenis material ini berdasarkan ketahanan masing-masing material terhadap suhu dan tekanan operasi. Tekanan dan suhu operasi yang tinggi menyebabkan engineer harus bisa mencari bahan material dengan allowable stress yang sesuai. 2.3 Desain Reaktor Pada proses sintesa metanol dari TKS digunakan tiga reaktor dengan kondisi operasi yang berbeda-beda. Adapun kondisi operasinya : a. Gasifier : T = 920 K dan P = 438 psia= 29,79 atm b. Reaktor metanolisis :T= K dan P = atm

Head yang digunakan adalah jenis ellipsoidal karena dapat digunakan pada tekanan > 12 atm (Brownell,1959). Susunan tube dalam reaktor metanolisis menurut Smith disusun secara parallel sama seperti konstruksi Shell and Tube

Kelompok 22/S.Ganjil/2013-2014

pada Heat Exchanger. Susunan Tube dipilih Triangular Pitch untuk mendapatkan volume reaktor yang lebih kecil.

BAB III. Asumsi dan Hasil Perhitungan

3.1 Perancangan Reaktor Fluidized Bed untuk Gasifikasi Tabel 3.1 Data desain reaktor gasifikasi

Equipment Type Function

LEMBAR SPESIFIKASI REAKTOR Gasifier Buble fluidized bed reactor

Code R-101

Merubah bahan baku TKS menjadi gas sintesis

Operating Condition Temperature (K) Pressure (atm)

920 29,79 Shell

Outside Diameter (m) Thickness, ts (in) Height, Hs (m) Volume (m3) Total Height, Including Head (m) Material

72,7 4,8 12,3 59,3169 Carbon Steel type-SA 283 Grade C

Head Top Head (Hemispherical)

Thickness, th (in) Height, Hh (m) Material

Bottom Head (Conical)

2,98 1,84 Carbon Steel typeSA 283 Grade C

Thickness, th (in) Height, Hh (m) Material

4,8 3,19 Carbon Steel type-SA 285 Grade A

Distributor Temperatur operasi pada gasifier cukup tinggi, sehingga tipe distributor yang digunakan adala jenis Tuyere Distributor. Untuk memastikan aliran gas merata melalui Tuyere, maka digunakan Tuyere dengan orifice pada inlet gas.

Pressure drop min melalui bed (Pa) Pressure drop melalui distributor (Pa) Kecepatan gas melewati orifice (m/s) Jumlah Tuyere Diameter orifice (mm) Jumlah lubang Diameter lubang (m)

Fasa Bubling

12799,8 3839,94 18,74 1068 2353 6408 0,01

Kelompok 22/S.Ganjil/2013-2014

Kecepatan bubling (m/s) Diameter bubling (cm) Fraksi bed yang diisi bubling

12,895 16 0,0215

3.2. Perancangan Reaktor Fixed Bed untuk Sintesa Metanol Tabel 3.2 Data desain reaktor sintesa metanol

LEMBAR SPESIFIKASI REAKTOR Equipment Type Function

Sintesa Metanol

Code

Fixed bed reactor Mengkonversikan gas sintesis menjadi metanol

Operating Condition Temperature (K) Pressure (atm) Shell Outside Diameter, OD (m) Inside Diameter, ID (m) Thickness, ts (m) Height, Hs (m) Volume (m3) Total Height, Including Head (m) Material

Stainless Steel, type-430F

Head Top Head (Elipsoidal)

Bottom Head (Elipsoidal)

Thickness, th (m) Height, Hh (m)

Thickness, th (m) Height, Hh (m)

Material

Material Tube

OD (m) ID (m) Height, ht (m) Thickness, tt (m) Volume (m3) Jumlah tube Volume katalis tiap tube (m3)

Kelompok 22/S.Ganjil/2013-2014

Daftar Pustaka

Brownell, L.E, & Young, E.H. (1959). Process Equipment Design. John Wiley & Sons: New York Robert E. Treybal (1981). Mass-Transfer Operation Third Edition. McGraw-Hill : London Dutta, A., Hensley, J., & Talmadge, M. (2011). Process Design and Economics for Conversion of Lignocellulosic Biomass to Ethanol. Thermochemical Pathway by Indirect Gasification and Mixed Alcohol Synthesis. Colorado : NREL Dutta, A., S.D. Phillips. (2009). Thermochemical Ethanol via Direct Gasification and Mixed Alcohol Synthesis of Lignocellulosic Biomass. Colorado: NREL Fogler, H.S., 1986, Element of Chemical Reaction Engineering, London, Prentice Hall International. Geankoplis, C.J. (1997). Transport Process and Unit Operation 3rd ed. Prentice Hall Inc, Englewood Cliffs N.J.: London Gurning, N. (2013). Pembuatan Beton Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit. Universitas Sumatera Utara: Medan Hamelinck, C.N., Faaij, A.P.C., Larson, E., & Kreutz, T,. (2001). Future prospects for the production of methanol and hydrogen from biomass, Science. , Technology and Society/Utrecht University, Uthrecht: Netherlands Katofsky RE, 1993, The production of fluid fuels from biomass, Center for Energy and Environmental Studies/Princeton University, Princeton Kunii, D. And Oktave Levenspiel, 1991, Fluidization Engineering, second edition, America, a Davidson of reed publishing. Laohalidanond, K. (2007). The Production of Synthetic Diesel from Biomass, Briquetting and Thermal Waste Treatment Group, Faculty of Georesources and Materials Engineering, RWTH Aachen University: Germany Levenspiel, O., 1999, Chemical Reaction Engineering 3rd edition, USA : Wiley & Sons. Sintong S, Eduard. (2011). Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Gas Hidrogen Dari Tandan Kosong Kelapa Sawit Dengan Kapasitas 40.000 Ton/Tahun, Universitas Sumatera Utara: Medan Tijmensen M.J.A., Andre P.C. Faaij, Carlo N. Hamelinck, Martijn R.M. van Hardeveld. (2002).

Exploration of the possibilities for production of Fischer Tropsch liquids and power via biomass gasification, Biomass and Bioenergy 23 (129-152) Walas, M.S., 1990, Chemical Process Equipment Selection and Design, London,

Betterworth-Heinemann. Wahyu H., Djunaedi I., Affendi, Sugiyatno, Utomo Y.S. Perancangan dan Pengembangan Model Reaktor Circulating Fluidized Bed untuk Gasifikasi Biomassa. Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (Indonesian Institute of Sciences). Kompleks LIPI: Bandung Yulistiani F. (2009). Kajian Tekno Ekonomi Pabrik Konversi Biomassa Menjadi Bahan Bakar Fischer-Tropsch Melalui Proses Gasifikasi. Institut Teknologi Bandung