simulasi termal sistem pemanas selimut …digilib.unila.ac.id/57571/3/skripsi tanpa bab...
TRANSCRIPT
SIMULASI TERMAL SISTEM PEMANAS SELIMUT FLUIDA
(FLUID JACKET) PADA REAKTOR TOREFAKSI KONTINU
MENGGUNAKAN PERANGKAN LUNAK
ANSYS FLUENT 18.2
(Skripsi)
Oleh
DIDI PRASTIANTO
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2019
ii
ABSTRAK
SIMULASI TERMAL SISTEM PEMANAS SELIMUT FLUIDA
(FLUID JACKET) PADA REAKTOR TOREFAKSI KONTINU
MENGGUNAKAN PERANGKAN LUNAK
ANSYS FLUENT 18.2
Oleh
DIDI PRASTIANTO
Torefaksi merupakan metode pengolahan biomassa dengan proses termokimia
tanpa atau dengan oksigen yang terbatas pada kisaran temperatur 200 – 300 oC
dan ditahan pada waktu tertentu dengan mayoritas produk berupa padatan. Sistem
torefaksi memiliki kunggulan dibandingkan dengan teknologi pengolahan
biomassa lainnya. Proses torefaksi berlangsung pada tekanan dan temperatur yang
lebih rendah serta efisiensi konversi energi yang tinggi hingga 90%.
Reaktor tipe tubular dengan pengegerak screw conveyor merupakan salah satu
jenis reaktor pada proses torefaksi. Reaktor tubular mempunyai keunggulan yaitu
dapat berjalan secara kontinyu, bebas dari kebocoran, memiliki permukaan
perpindahan panas yang lebih besar dan gas sintetik yang mudah terurai.
Pemanasan pada reaktor tipe tubular berasal dari burner gas yang menghasilkan
panas ke dinding luar reaktor dan disalurkan melalui selimut fluida yang
didalamnya terdapat fluida penghantar panas ke reaktor. Sistem pemanas dengan
selimut fluida memiliki kelebihan berupa dapat mengalirkan panas dengan baik
dan merata ke dalam reaktor. Kelebihan lain pada sistem pemanas ini yaitu
mampu menjaga temperatur pada reaktor dengan stabil.
Penelitian ini menggunakan perangkat lunak Ansys Fluent dalam melakukan
pemodelan sistem pemanas selimut fluida. Ansys Fluent merupakan perangkat
lunak yang dapat digunakan untuk pemodelan simulasi aliran, perpindahan panas
dan reaksi untuk aplikasi pada bidang industri dengan akurasi yang baik dan
efisien.
Hasil dari penelitian ini adalah didapatkan profil distribusi termal pada sistem
pemanas selimut fluida dari awal pemanasan sampai tercapainya temperatur di
dalam reaktor sebesar 325 oC. kemudian didapatkan lama waktu tercapainya
temperatur di dalam reaktor dengan menggunakan fluida dan sudut burner yang
divariasikan.
Kata kunci: torefaksi, reaktor tubular, selimut fluida, Ansys Fluent.
ii
ABSTRACT
THERMAL SIMULATION OF FLUID JACKET HEATING SYSTEMS
(FLUID JACKET) ON THE CONTINU TOREFACTION REACTOR
USING SOFTWARE ANSYS FLUENT 18.2
By
DIDI PRASTIANTO
Torrefaction is a method of processing biomass with a thermochemical process
without or with oxygen which is limited to a temperature range of 200 - 300 oC
and held at a certain time with the majority of products in the form of solids. The
faction system has advantages compared to other biomass processing
technologies. The torrefaction process takes place at lower pressures and
temperatures and high energy conversion efficiency up to 90%.
The tubular type reactor with a screw conveyor is one type of reactor in the
torrefaction process. Tubular reactors have the advantage of being able to run
continuously, free from leakage, have a larger heat transfer surface and synthetic
gas that is easily biodegradable. Heating in a tubular type reactor comes from a
gas burner that produces heat to the outer wall of the reactor and is channeled
through a fluid jacket in which there is a heat-carrying fluid to the reactor. Heating
systems with fluid jacket have the advantage of being able to flow heat well and
evenly into the reactor. Another advantage of this heating system is that it is able
to maintain the temperature of the reactor stably.
This research uses Ansys Fluent software in modeling fluid jacket heating
systems. Ansys Fluent is software that can be used for flow simulation modeling,
heat transfer and reaction for applications in industrial fields with good and
efficient accuracy.
The results of this study were obtained thermal distribution profiles on the blanket
fluid heating system from the beginning of the heating until the temperature inside
the reactor was reached 325 oC. then the temperature reached in the reactor using
fluid and the burner angle varied.
Keywords: torrefaction, tubular reactor, fluid jacket, Ansys Fluent.
SIMULASI TERMAL SISTEM PEMANAS SELIMUT FLUIDA
(FLUID JACKET) PADA REAKTOR TOREFAKSI KONTINU
MENGGUNAKAN PERANGKAN LUNAK
ANSYS FLUENT 18.2
Oleh
Didi Prastianto
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNIK
Pada
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Lampung
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2019
ix
Karena sesungguhnya seteleh kesulitan itu ada kemudahan
(Q.S Al. Insyirah : 5)
Don’t be afraid to move, because the distance of 1000 miles
starts by a single step.
(Anonim)
Kalau pengetahuan anda ingin ditambah oleh Allah, mudah
dalam belajar dan kuat dalam ingatan, tingkatkan takwamu kepada
Allah maka Allah akan ajarkan anda pengetahuan.
(Adi Hidayat)
Great men are not born great, they grow great
(Anonim)
A hopeless person sees difficulties in every chance, but a
hopeful person sees chances in every difficulty
(Ali bin Abu Thalib)
x
حيم الرؔ حمن الرؔ هللا بسم “Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih lagi Maha
Penyayang”
Atas Rahmat Allah SWT
Kupersembahkan Karyaku ini
kepada ayah dan ibuku tercinta, adik-adikku
tersayang, guru–guru yang aku hormati, teman–teman
terkasih dan pendamping hidupku kelak.
xi
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat ALLAH SWT karena berkat rahmat, hidayah dan
pertolongan-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Simulasi
Termal Sistem Pemanas Selimut Fluida (Fluid Jacket) Pada Reaktor Torefaksi
Kontinu Menggunakan Perangkat Lunak Ansys Fluent 18.2 ”. Tujuan penulisan
skripsi adalah untuk persyaratan menyelesaikan pendidikan strata 1 dan melatih
mahasiswa berfikir secara kreatif, inovatif serta ilmiah dalam menulis sebuah
karya ilmiah.
Penulis menyadari bahwa dalam penulisan skripsi ini masi terdapat kekurangan.
Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun. Akhir
kata semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua.
Bandar Lampung, 27 Juni 2019
Penulis,
Didi Prastianto
xii
SANWACANA
Assalamu’alaikum Wr. Wb.
Alhamdulillaahirabbil’aalamiin puji syukur kehadirat Allah SWT. atas berkat
rahmat, hidayah serta karunia-Nya dan tak lupa pula sholawat serta salam selalu
tercurahkan kepada Nabi besar Muhammad SAW. sehingga penulis dapat
menyelesaikan penulisan skripsi ini dengan judul, “Simulasi Termal Sistem
Pemanas Selimut Fluida (Fluid Jacket) pada Reaktor Torefaksi Kontinu
Menggunakan Perangkat Lunak Ansys Fluent 18.2” sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Mesin Universitas
Lampung. Pada kesempatan kali ini penulis menyampaikan terima kasih kepada :
1. Ayah dan ibu tercinta yang telah memberikan kasih sayang, membiayai
pendidikanku, membimbing, mendidik dan menasehatiku serta doa yang
diberikan. Terima Kasih Ayah dan Ibu.
2. Adikku Amalia Prastianti dan M. Hafiz Prastianto, terima kasih atas nasehat,
doa, motivasi serta sabar menunggu penulis hingga dapat menyelesaikan studi.
3. Bapak Prof. Dr. Suharno, M.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Lampung.
4. Bapak Ahmad Su’udi, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
Universitas Lampung.
5. Bapak Dr. Irza Sukmana, S.T., M.T., selaku Pembimbing Akademik yang
telah banyak memberikan bimbingan, arahan, bantuan, dukungan, saran dan
kritik kepada penulis selama proses perkuliahan..
xiii
6. Bapak Dr. Amrul, S.T., M.T., selaku pembimbing I yang telah banyak
memberikan ilmu pengetahuan, bimbingan, arahan, bantuan, dukungan, saran
dan kritik kepada penulis dalam proses penyelesaian skripsi ini.
7. Bapak Dr. Muhammad Irsyad, S.T., M.T. selaku Pembimbing II yang telah
membimbing dan memberikan saran kepada penulis sebelum, saat, dan setelah
penelitian hingga skripsi ini selesai disusun.
8. Bapak Amrizal, S.T., M.T., Ph.D. selaku pembahas atas kesediaan
memberikan arahan, koreksi, saran dan kritik untuk pelaksanaan penelitian
dan penyusunan skripsi ini.
9. Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Tenik Mesin Universitas Lampung yang telah
mendidik dan memberikan ilmu pengetahuan kepada penulis.
10. Seluruh karyawan dan staf Jurusan Teknik Mesin atas bantuan-bantuannya
selama penulis menempuh pendidikan di Jurusan Teknik Mesin.
11. Zakiah Ulfa Arrozi atas semangat, perhatian dan dukungan kepada penulis
dari awal penelitian hingga selesai.
12. Teman-teman tercinta Wahyu, Riko, Amrizal, Algho, Citol, Baim dan Mardos
yang telah menjadi teman berbagi dukungan, saling membantu, menemani,
berbagi pengetahuan, dan semangat dalam melaksanakan penelitian.
13. Kepada teman-teman angkatan 2014, terima kasih atas kekeluargaanya yang
telah terjalin selama ini.
14. Semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini
yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu secara tulus memberikan
bantuan moril dan materil kepada penulis.
xiv
Semoga Allah SWT. Senantiasa membalas semua kebaikan-kebaikan yang telah
kalian berikan. Akhir kata, penulis memohon maaf kepada semua pihak apabila
skripsi ini masih terdapat kesalahan dan kekeliruan, semoga skripsi ini dapat
berguna dan bermanfaat sebagaimana mestinya, Aamiin.
Bandar Lampung, - - 2019
Penulis,
Didi Prastianto
xiii
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ................................................................................................. i
ABSTRACT .............................................................................................. ii
HALAMAN JUDUL ................................................................................ iii
LEMBAR PERSETUJUAN .................................................................... iv
LEMBAR PENGESAHAN ..................................................................... v
PERNYATAAN PENULIS ..................................................................... vi
RIWAYAT HIDUP ................................................................................... vii
MOTTO ..................................................................................................... ix
PERSEMBAHAN ..................................................................................... x
KATA PENGANTAR .............................................................................. xi
SANWACANA ......................................................................................... xii
DAFTAR ISI ............................................................................................. xiii
DAFTAR TABEL ..................................................................................... xvi
DAFTAR GAMBAR ................................................................................. xvii
DAFTAR SIMBOL ................................................................................... xxi
I. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang .............................................................................. 1
1.2. Tujuan Penelitian .......................................................................... 3
xiv
1.3. Batasan Masalah ........................................................................... 3
1.4. Sistematika Penulisan .................................................................... 4
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Torefaksi ....................................................................................... 5
2.2.Reaktor Torefaksi .......................................................................... 7
2.3. Teknologi Pemanas Reaktor ......................................................... 14
2.4. Mekanisme Perpindahan Panas .................................................... 15
2.5. Heat Transfer Fluid ..................................................................... 19
2.6. Computational Fluid Dynamics (CFD) ........................................ 20
III. METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ....................................................... 26
3.2. Tahapan Penelitian ........................................................................ 27
3.3.Alur Tahapan Penelitian ................................................................ 28
3.4. Pengumpulan Data ........................................................................ 30
3.5. Desain Reaktor dan Titik Pengukuran Pada Simulasi .................. 30
3.6. Pemodelan Dan Simulasi Ansys Fluent 18.2 ............................... 31
IV. PEMBAHASAN
4.1. Hasil Pengujian ............................................................................. 41
4.2. Hasil Simulasi ................................................................................ 42
4.3. Perbandingan Data Hasil Pengujian Dan Simulasi........................ 49
4.4. Pengembangan Simulasi .............................................................. 52
4.5.Pembahasan ..................................................................................... 57
4.6.Perbandingan Hasil Simulasi Menggunakan CalfloTM AF Pada Tiap
Variasi Sudut Burner ...................................................................... 64
xv
V. Penutup
5.1. Kesimpulan ....................................................................................
5.2. Saran ..............................................................................................
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
66
67
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
3.1. Jadwal kegiatan penelitian............................................................... 27
xvii
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
2.1. Skema proses torefaksi................................................................. . 5
2.2. Reaktor tipe fixed bed .................................................................... 8
2.3. Reaktor tipe rotary kiln ................................................................. 10
2.4. Reaktor tipe fluidized bed .............................................................. 12
2.5. Reaktor tipe tubular ....................................................................... 13
2.6. Konsep dasar pada sistem pemanas langsung ................................ . 14
2.7. Konsep dasar sistem pemanasan tidak langsung ............................ 15
2.8. Transfer panas multilayer silinder ................................................... 17
2.9. Meshing pada CFD ......................................................................... 24
2.10. Hasil simulasi CFD berupa kontur warna ....................................... 25
3.1. Diagram alur penelitian ................................................................... 29
3.2. Desain tabung reaktor 2D untuk simulasi. ...................................... 30
3.3. Titik pengambilan data temperatur pada simulasi reaktor torefaksi 31
3.4. Desain sketch pada Design Modeler ................................................ 32
3.5. Desain surface body pada Design Modeler ..................................... 33
3.6. Desain Meshing ............................................................................... 33
3.7. Toolbar general menu .................................................................... 34
xviii
3.8. Toolbar models menu ...................................................................... 35
3.9. Toolbar solid materials menu ......................................................... 36
3.10. Toolbar fluid materials menu ......................................................... 36
3.11. Toolbar cell zone condition menu .................................................. 37
3.12. Toolbar boundary condition menu heater ..................................... 37
3.13. Toolbar mesh interface menu ......................................................... 38
3.14. Toolbar initialization menu ............................................................. 39
3.15. Toolbar calculation activities menu ................................................ 39
3.16. Toolbar run calculation menu ........................................................ 40
4.1 Temperatur oli dan reaktor Pada Pengujian menggunakan fluida
pemanas CalfloTM AF ..................................................................... 42
4.2. Distribusi temperatur pada simulasi reaktor torefaksi burner
120o menggunakan fluida pemanas CalfloTM AF: (a) Temperatur
Oli, (b) Temperatur dalam reaktor .................................................... 43
4.3 Profil proses pemanasan pada simulasi menggunakan fluida
pemanas CalfloTM AF (a) durasi 10 menit (b) durasi 20 menit,
(c) durasi 30 menit, dan (d) durasi 40 menit. ................................... 43
4.4. Profil proses pemanasan pada simulasi menggunakan fluida
pemanas CalfloTM AF (a) durasi 50 menit (b) durasi 60 menit, dan
(c) durasi 73 menit............................................................................ 45
4.5. Distribusi temperatur pada simulasi reaktor torefaksi burner
120o menggunakan fluida pemanas molten salt: (a) Temperatur
Oli, (b) Temperatur dalam reaktor................................................... 46
xix
4.6 Profil proses pemanasan pada simulasi menggunakan fluida
pemanas molten salt (a) durasi 10 menit (b) durasi 20 menit,
(c) durasi 30 menit, (d) durasi 40 menit. ......................................... 47
4.7 Profil proses pemanasan pada simulasi menggunakan fluida
pemanas molten salt (a) durasi 50 menit (b) durasi 60 menit,
(c) durasi 70 menit, (d) durasi 80 menit dan (e) durasi 92 menit .... 48
4.8 Grafik Perbandingan temperatur reaktor pengujian dan
simulasi ........................................................................................... 50
4.9 Distribusi temperatur pada simulasi reaktor torefaksi burner
180o menggunakan fluida pemanas CalfloTM AF: (a) Temperatur
Oli, (b) Temperatur dalam reaktor .................................................. 53
4.10 Profil Proses Pemanasan Pada simulasi menggunakan fluida
pemanas CalfloTM AF Burner 180o (a) Durasi 10 menit
(b) Durasi 20 menit, (c) Durasi 30 menit, (d) Durasi 40 menit,
dan (e) Durasi 47 menit................................................................... 54
4.11 Distribusi temperatur pada simulasi reaktor torefaksi burner
180o menggunakan fluida pemanas molten salt: (a) Temperatur
Oli, (b) Temperatur dalam reaktor ....................... .......................... 55
4.12 Profil proses pemanasan pada simulasi menggunakan fluida
pemanas molten salt burner 180o (a) durasi 10 menit
(b) durasi 20 menit, (c) durasi 30 menit, (d) durasi 40 menit,
dan (e) durasi 50 menit (f) durasi 59 menit ..................................... 56
4.13 Distribusi temperatur pada simulasi reaktor torefaksi burner
xx
60o menggunakan fluida pemanas CalfloTM AF: (a) Temperatur
Oli, (b) Temperatur dalam reaktor .................................................. 59
4.14 Profil proses pemanasan pada simulasi menggunakan fluida
pemanas CalfloTM AF burner 60o (a) durasi 10 menit,
(b) durasi 30 menit, (c) durasi 50 menit, (d) durasi 70 menit, dan
(e) durasi 90 menit, (f) durasi 110 menit, (g) durasi 130 menit ..... 60
4.15 Distribusi temperatur pada simulasi reaktor torefaksi burner
600o menggunakan fluida pemanas molten salt, (a) Temperatur
Oli, (b) Temperatur dalam reaktor ................................................. 61
4.16 Profil proses pemanasan pada simulasi menggunakan fluida
pemanas molten salt burner 180o (a) durasi 10 menit,
(b) durasi 40 menit, (c) durasi 70 menit, (d) durasi 100 menit,
dan (e) durasi 140 menit, (f) durasi 170 menit ............................. 62
4.17 Distribusi temperatur dalam reaktor pada simulasi reaktor
torefaksi menggunakan fluida pemanas CalfloTM AF: (a) sudut
burner 60o (b) sudut burner 120o (c) sudut burner 180o ............. 65
xxi
DAFTAR SIMBOL
q : Laju perpindahan panas
∆T : Selisih temperatur T1 dan T2
∑R : Hambatan Total
K : Konduktivitas termal
Ra,b,c : jari – jari tabung
L : Panjang Silinder
h : koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.°C)
As : luas permukaan perpindahan panas konveksi (m2)
Ts : temperatur permukaan (°C)
T∞ : temperatur fluida sekitar permukaan (°C)
hc : Koefisien perpindahan panas konveksi di dalam tabung (W/m2.K )
Nu : Bilangan Nusselt
D1 : Diameter tube (m)
I. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Torefaksi merupakan metode pengolahan biomassa dengan proses
termokimia tanpa atau dengan oksigen yang terbatas pada kisaran
temperatur 200 – 300oC dan ditahan pada waktu tertentu dengan mayoritas
produk berupa padatan. Sistem torefaksi memiliki kunggulan dibandingkan
dengan teknologi pengolahan biomassa lainnya. Proses torefaksi
berlangsung pada tekanan dan temperatur yang lebih rendah serta efisiensi
konversi energi yang tinggi hingga 90% (Bergman, 2004).
Kalangan akademisi maupun umum salah satunya Amrul (2014) telah
banyak melakukan penelitian mengenai torefaksi menggunakan reaktor
tubular. Pada penelitian tersebut, torefaksi sampah dapat menghasilkan
bahan bakar setara dengan kualitas batubara subbituminous dengan nilai
kalor (HHV) sebesar 4,900 – 6.800 kcal/kg (Amrul, 2015). Reaktor tubular
mempunyai keunggulan yaitu dapat berjalan secara kontinyu, bebas dari
kebocoran, memiliki permukaan perpindahan panas yang lebih besar dan
gas sintetik yang mudah terurai.
2
Sistem pemanas merupakan salah satu dari banyak faktor yang
mempengaruhi efisieni konversi pada proses torefaksi. Tipe pemanas pada
reaktor torefaksi dibagi kedalam dua kategori yaitu pemanasan langung dan
tidak langsung. Pada reaktor dengan pemanas tidak langsung, media
pemanas tidak berkontak langsung dengan biomassa melainkan dialirkan
melalui dinding dari reaktor. Hal ini bertujuan untuk menghindari adanya
oksigen di dalam reaktor.
Pemanasan pada reaktor tipe tubular berasal dari burner gas yang
menghasilkan panas ke dinding luar reaktor dan disalurkan melalui selimut
fluida yang didalamnya terdapat fluida penghantar panas ke reaktor. Sistem
pemanas dengan selimut fluida memiliki kelebihan berupa dapat
mengalirkan panas dengan baik dan merata ke dalam reaktor. Kelebihan lain
pada sistem pemanas ini yaitu mampu menjaga temperatur pada reaktor
dengan stabil. Kelemahan pada sistem ini yaitu perawatan yang lebih
banyak dan mahalnya fluida penghantar panas yang digunakan.
Dari dasar inilah perlu dilakukan penelitian terkait simulasi termal pada
sistem pemanas selimut fluida alat torefaksi sistem kontinu menggunakan
perangkat lunak Ansys Fluent 18.2. Hal ini bertujuan untuk menganalisa
profil distribusi panas pada reaktor dan membandingkan lama waktu
tercapainya temperatur torefaksi pada reaktor torefaksi kontinu tipe tubular.
3
Profil termperatur dan waktu tercapainya temperatur torefaksi merupakan
faktor penting pada proses torefaksi. Ketidakseragaman temperatur dapat
menyebabkan tingkat kematangan produk tidak maksimal sehingga akan
berpengaruh terhadap nilai kalor hasil produk torefaksi, sedangkan semakin
singkat waktu pemanasan yang dibutuhkan untuk mencapai temperatur
tersebut akan semakin menghemat konsumsi bahan bakar yang digunakan
1.2. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Menganalisa profil distribusi termal pada reaktor torefaksi kontinu tipe
tubular menggunakan software ANSYS Fluent 18.2.
2. Membandingkan lama waktu tercapainya temperatur torefaksi di dalam
reaktor dengan variasi fluida dan sudut burner pada sistem pemanas
selimut fluida reaktor torefaksi kontinu tipe tubular.
1.3. Batasan Masalah
Pada penelitian disstribusi panas reaktor torefaksi tipe tubular ini, dilakukan
pembatasan masalah dengan ruang lingkup sebagai berikut :
1. Temperatur torefaksi yang ingin dicapai sebesar 325oC.
2. Pengujian dilakukan pada kondisi transient.
3. Material yang digunakan pada reaktor adalah Low Carbon Steel.
4. Simulasi distribusi panas dilakukan dengan menggunakan perangkat
lunak Ansys Fluent 18.2.
5. Analisa meliputi dinding luar reaktor hingga ruang torefaksi dalam
reaktor.
4
1.4. Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan dalam menyusun tugas akhir ini adalah sebagai
berikut :
Bab I Pendahuluan, Berisi latar belakang, tujuan; yang memaparkan
diadakannya penelitian ini, batasan masalah; dan sistematika penulisan.
Bab II Tinjauan Pustaka, berisi landasan teori yang menunjang pada
penelitian secara umum dan khusus mengenai hal – hal yang berkaitan
dengan penelitian.
Bab III Metodologi, berisi tempat dan waktu penelitian akan dilakukan,
diagram alir penelitian, penjelasan diagram alir serta langkah – langkah yang
diperlukan dalam pembuatan model.
Bab IV Hasil dan Pembahasan, menjelaskan hasil dari simulasi distribusi
panas yang terjadi menggunakan perangkat lunak dan membandingkan
antara hasil perpindahan panas yang terjadi ketika fluida penghantar panas
bersirkulasi dan tidak bersirkulasi.
Bab V Kesimpulan, berisi kesimpulan yang diperoleh didalam penelitian.
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Torefaksi
Torefaksi adalah proses perlakuan panas material padat pada temperatur 200
– 300oC, yang dilakukan pada tekanan atmosfir tanpa kehadiran oksigen
(Amrul, 2014). Dalam proses ini, hemiselulosa akan terdegradasi sedangkan
kandungan lignin dan selulosanya akan tetap. Biomassa yang telah
mengalami proses torefaksi akan memberikan beberapa keuntungan antara
lain kandungan air yang rendah, sedikit mengeluarkan asap, densitas energi
yang tinggi dan meningkatnya nilai kalor (Azhar, 2009).
2.1.1 Proses Torefaksi
Torefaksi adalah suatu proses thermal melalui kontak dengan media
pemanas atau pembawa panas. Skema proses torefaksi dapat dilihat
pada Gambar 2.1 berikut :
Gambar 2.1. Skema proses torefaksi
Penyamarataan
ukuran Pengeringan Torefaksi Pendinginan
Biomassa Gas Hasil
torefaksi
6
Proses perubahan biomassa terjadi dengan cara dikonversi
menggunakan energi panas dengan pemanas menjadi sebuah produk
torefaksi. Untuk menjadi sebuah produk, biomassa mengalami
beberapa tahap pemanasan.
a. Tahap Pemanasan Awal
Tahap ini merupakan tahap awal dalam proses torefaksi ketika
biomassa dipanaskan didalam ruangan hingga suhu
pengeringan (100 oC), temperatur akan naik bertahap karena
panas yang diberikan oleh media penghantar panas.
b. Tahap Pengeringan
Tahap ini merupakan langkah menaikkan suhu secara konstan
yang berguna untuk menguapkan kandungan air yang terdapat
pada biomassa hingga hilangnya kandungan air pada
permukaan biomassa.
c. Tahap Pengeringan Lanjutan
Setelah biomassa dikeringkan, selanjutnya biomassa
dipanaskan dengan suhu yang lebih lanjut (200oC) sebelum
mencapai tahap proses torefaksi. Selama proses ini,
kelembaban yang terikat dan senyawa organik yang terdapat di
biomassa telah hilang.
7
d. Tahap Torefaksi
Tahap ini merupakan tahapan dimana sebagian besar
depolimerisasi pada biomassa terjadi. Diperlukan waktu
tertentu untuk mendapatkan tingkat depolimerisasi yang
diinginkan dari biomassa tersebut. Tingkat torefaksi
bergantung pada suhu torefaksi yang diberikan. Proses ini
terjadi pada rentang suhu antara 250 – 300 oC.
e. Tahap Pendinginan
Produk hasil torefaksi yang keluar dari tahap torefaksi
memiliki suhu yang tinggi. Suhu tinggi dapat menyebabkan
produk torefaksi mengalami oksidasi setelah berinteraksi
dengan udara. Untuk itu diperlukan proses pendinginan ini
(Basu, 2013).
2.2 Reaktor Torefaksi
Reaktor adalah alat tempat terjadinya suatu reaksi berlangsung, baik itu
reaksi kimia maupun nuklir. Dengan terjadinya reaksi inilah suatu bahan
berubah ke bentuk bahan lainnya, perubahannya ada yang terjadi secara
spontan (dengan sendirinya) atau bisa juga dengan bantuan energi seperti
energi panas. Perubahan yang terjadi adalah perubahan kimia sehingga yang
terjadi adalah bukan perubahan fase melainkan perubahan bahan, misalnya
dari air menjadi uap. Ada beberapa tipe reaktor untuk proses torefaksi,
diantaranya sebagai berikut:
8
2.2.1. Reaktor Tipe Fixed Bed
Reaktor ini merupakan reaktor paling sederhana yang digunakan
pada proses torefaksi/pirolisis seperti terlihat pada Gambar 2.2.
Reaktor ini mempunyai karakteristik heating rate yang rendah
sehingga koefisien perpindahan panas yang terjadi rendah, oleh
karena itu ketika massa sampel yang diuji lebih besar suhu tidak
seragam dalam sampel dan bahan baku didekomposisi pada
temperatur berbeda secara bersamaan. Reaktor fixed bed sering
digunakan untuk mengidentfikasi parameter yang mempengaruhi
produk pirolisis. Karena kurang efisien reaktor ini jarang digunakan
dalam skala besar.
Keterangan 1. Furnace 6. Tangki
2. reaktor 7. Termometer
3. termokopel 8. Kondensir
4. Pengendali Temperatur 9. Pengukur Tekanan
5. Pipa Nitrogen 10. Ventilasi sampel
Gambar 2.2. Reaktor tipe fixed bed (Chen dkk., 2014).
9
Reaktor akan dipanaskan setelah material berada dalam fed, dalam
satu kali proses reaktor ini hanya dapat menampung 600 g, dan
waktu tinggalnya sekitar 55 – 180 menit tergantung temperatur
proses. Ketika diteliti hasil dari produk pirolisis divariasikan dengan
temperatur akhir.
Penelitian menemukan bahwa hasil char menurun dengan
meningkatnya temperatur, terutama dalam range temperatur 300oC–
550oC, dan hasil cair dari pirolisis meningkat dengan dinaikannya
temperatur untuk 550o C, kemudian mulai menurun. Hasil gas stabil
meningkat dengan peningkatan temperatur di seluruh pengujian
tingkat temperatur (Chen dkk., 2014).
2.2.2 Reaktor Tipe Rotary kiln
Rotary kiln mempunyai efisiensi yang lebih tinggi dari pada fixed
bed. Putaran yang lambat dari kiln memungkinkan pencampuran
yang baik dari material dalam reaktor. Reaktor ini banyak digunakan
dalam pirolisis dan torefaksi dan yang banyak digunakan adalah tipe
konvensional, yang berlangsung di bawah HR lambat dengan
signifikan produk bagian dari char, cair dan gas. Bentuk reaktor
rotary kiln seperti terlihat pada Gambar 2.3.
10
Gambar 2.3. Reaktor tipe rotary kiln (Yanyang dkk., 2015)
Dalam beberapa penelitian heating rate yang terjadi tidak lebih
tinggi dari 100oC/menit dan residence time hingga 1 jam, hal ini
dikarenakan selama proses hanya dinding luar yang mengangkut
panas dari luar untuk partikel. Permukaan dinding yang kecil
mendistribusikan ke unit bahan baku dan ukuran kasar dari partikel
hasil dalam heating rate yang rendah.
Kebanyakan dilaporkan MSW teknologi pirolisis didasarkan pada
pyrolysers rotary kiln, karena rotary kiln reaktor memiliki banyak
keuntungan yang unik lebih dari jenis reaktor lain. Rotary kiln juga
mempunyai pencampuran yang baik dari material, pengontrolan
waktu tinggal yang fleksibel, dan saluran yang lebih besar untuk
aliran limbah memungkinkan dapat mengolah bahan heterogendan
dengan demikian, luas pra-pengolahan limbah tidak diperlukan
sehingga pemeliharaannya juga sederhana.
11
Ada dua jenis proses yang dapat dilakukan dalam proses ini yaitu
proses fast dan proses slow yang bergantung pada temperatur dan
waktu proses. Pada proses fast reaktor akan dipanaskan terlebih
dahulu hingga melebihi dari temperatur yang ditentukan lalu material
dimasukkan dalam reaktor dan proses ini berlangsung dengan cepat
dengan residence time sekitar 7–15 menit. Dan untuk proses slow,
material akan dipanaskan bersamaan dengan dinding reaktor (Chen
dkk., 2014).
2.2.3. Reaktor Tipe Fluidized Bed
Reaktor fluidized bed bercirikan heating rate yang tinggi serta
percampuran bahan baku yang baik, oleh karena itu raktor ini lebih
sering digunakan untuk menggambarkan pengaruh temperatur dan
residence time pada produk pirolisis dan torefaksi. Bentuk reaktor
fluidized bed seperti terlihat pada Gambar 2.4.
Biasanya reaktor fluidized bed digunakan untuk menyelidiki perilaku
pirolisis cepat (flash pyrolysis) dan untuk mengeksplorasi cracking
tar kedua. Meskipun reaktor fluidized bed telah banyak digunakan
dalam penelitian laboratorium, namun dalam industri tipe ini jarang
digunakan karena pemisahan material, serta pemanasan dan
resirkulasi eksternal yang rumit. Reaktor ini akan berjalan dengan
sistem batch by batch, dan continuous.
12
Dalam sekali masuk material hanya dapat masuk sekitar 0.8 – 5 g,
dan residencetime proses sekitar 20 menit. Koefisisen perpindahan
panas pada pasir fluidized bed reaktor untuk MSW pirolisis
dilaporkan sekitar 112–559 J/m2K. Sekitar 70–80% primary tar bisa
terpecah menjadi gas berat molekular rendah. Ketika mempelajari
produksi gas dari MSW pirolisis pada temperatur tinggi (700 – 850
oC) dan ditemukan bahwa dekomposisi biomasa diikuti oleh reaksi
tar cracking terjadi di dalam reaktor (Chen dkk., 2014).
Gambar 2.4. Reaktor tipe fluidized bed (Hui dkk., 2012)
2.2.4. Reaktor Tipe Tubular
Reaktor tubular merupakan jenis reaktor berbentuk tabung dengan
dinding tetap dan yang bergerak adalah material di dalam reaktor
tersebut. Reaktor tubular umumnya dipanaskan dengan sistem panas
eksternal, dan dalam beberapa penelitian bahan baku di dalam
material bergerak dengan sistem secrew conveyor. Bentuk reaktor
tipe tubular seperti terlihat pada Gambar 2.5.
13
Gambar 2.5. Reaktor tipe tubular
Keuntungan dari reaktor ini yaitu reaktor berjalan secara kontinyu,
reaktor bebas dari kebocoran, permukaan perpindahan panas yang
lebih besar, dan gas sintetik yang mudah bereformasi. Reaktor tipe
ini mudah untuk dirancang jika koefisien perpindahan panasnya
diketahui karena sederhana dan safety.
Ciri khas dari reaktor tubular adalah screw conveyor reactor dengan
operasional dan biaya konstruksi yang rendah. Untuk desain ini,
kecepatan sekrup dapat bervariasi dari 0,5–25 rpm, dengan demikian
residence time reaktor dapat diubah. Sistem reaktor ini berguna
untuk termal yang baik dan catalytic cracking dari limbah plastik.
Untuk skala kecil dan menengah, reaktor tubular dapat menjadi
pilihan yang baik. Suhu operasi tergantung pada pilihan produk
(Chen dkk., 2014).
14
2.3 Teknologi Pemanas Reaktor
Sebuah reaktor torefaksi perlu untuk menggabungkan dua proses penting
yaitu memanaskan biomassa untuk mencapai temperatur torefaksi dan
menjaga temperatur tersebut selama beberapa waktu. Teknologi reaktor
torefaksi diklasifikasikan secara spesifik kedalam kelompok bagaimana
suatu reaktor terefaksi menghantarkan panas menuju biomassa. Adapun tipe
pemanas pada suatu reaktor torefaksi dibagi kedalam dua kategori yaitu :
2.3.1 Pemanasan Langsung
Pada reaktor dengan pemanasan langsung, biomassa dipanaskan
secara langsung melalui kontak langsung dengan media pemanas
dalam keadaan tanpa oksigen atau dengan oksigen yang terbatas.
Media pemanas dapat berupa hot gas, hot solids, superheated steam,
atau dengan radiasi elektromagnetik. Konsep dasar sistem pemanas
langsung dapat dilihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Konsep dasar pada sistem pemanas langsung
15
2.3.2 Pemanasan Tidak Langsung
Pada reaktor dengan pemanasan secara tidak langsung, media
pemanas tidak berkontak langsung dengan biomassa, melainkan
panas dialirkan melalui dinding dari reaktor. Dengan demikian,
relatif mudah untuk menghindari adanya oksigen di dalam reaktor
(Bergman, 2004). Konsep dasar sistem pemanas langsung dapat
dilihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Konsep dasar sistem pemanasan tidak langsung
2.4 Mekanisme Perpindahan Panas
Perpindahan panas adalah ilmu yang digunakan untuk memprediksi
perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur
diantara benda atau material. Perpindahan panas tidak hanya menjelaskan
bagaimana energi panas itu berpindah dari satu benda ke benda lain, akan
tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan panas yang terjadi pada
kondisi- kondisi tertentu (Holman, 1993).
16
Perpindahan panas adalah perpindahan energi yang diakibatkan oleh adanya
perbedaan temperatur (Incropera, 1996). Transfer energi sebagai panas akan
terjadi dari sistem yang memiliki temperatur lebih tinggi berpindah ke
sistem yang memiliki temperatur yang lebih rendah. Perpindahan temperatur
ini akan berhenti apabila kedua sistem telah memiliki temperatur yang sama
karena ketika temperatur di kedua sistem sudah sama, maka tidak akan
terjadi perpindahan panas. Sistem perpindahan panas ini pada dasar nya
dapat terjadi dalam tiga proses, yaitu sistem perpindahan panas konduksi,
perpindahan panas konveksi dan perpindahan panas secara radiasi.
2.4.1 Perpindahan Panas Konduksi
Perpindahan panas konduksi adalah proses dimana panas mengalir
dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih
rendah di dalam satu medium atau antara medium-medium berlainan
yang bersinggungan secara langsung (Kreith, 1997).
Perpindahan panas konduksi dapat juga didefinisikan sebagai proses
perpindahan panas yang terjadi akibat perbedaan gradien temperatur
dalam media yang diam. Selain pada benda padat konduksi juga
dapat melalui media cair dan gas. Pada media cair dan gas konduksi
disebabkan oleh tabrakan (collisions) dan penyebaran (difusions),
dari molekul selama pergerakan random (Reynold dan
Perkins,1984).
17
2.4.1.1 Perpindahan Panas Konduksi pada Dinding Berlapis Rangkap
Silinder
Gambar 2.8 Transfer panas multilayer silinder (Cengel, 2005).
Pada Gambar 2.8 sebuah silinder yang suhu permukaan relatif
tinggi dapat diisolasi dengan beberapa macam bahan yang
disusun seri. Persamaan aliran panas untuk dinding lapis
rangkap berbentuk silinder dapat dilihat pada persamaan 2.1
dan 2.2.
(2.1)
(2.2)
Dimana,
∑R = hambatan total
Ka,b,c = konduktivitas termal pada tiap lapisan silinder
Ra,b,c = jari – jari tabung
L = panjang silinder
q = laju perpindahan panas
18
2.4.2 Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan panas konveksi adalah pengangkutan kalor oleh gerak
dari zat yang dipanaskan. Sistem perpindahan panas konveksi
merupakan bentuk perpindahan energi yang terjadi pada permukaan
benda padat ke fluida yang bergerak disekitarnya.
Pada aliran fluida yang semakin cepat, maka perpindahan panas
konveksinya akan menjadi semakin tinggi. Laju perpindahan panas
dengan cara konveksi antara suatu permukaan dengan suatu fluida
dapat dihitung dengan persamaan 2.3 berikut:
q = hA s (TS - T∞) (2.3)
Dimana :
h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.°C)
As = Luas permukaan perpindahan panas konveksi (m2)
Ts = Temperatur permukaan (°C)
T∞ = Temperatur fluida sekitar permukaan (°C)
Tanpa adanya pergerakan fluida (bulk fluid motion), sistem
perpindahan panas konveksi diantara permukaan benda padat dan
fluida sekitar dikatakan sebagai konduksi murni. Jika proses aliran
fluida tersebut diinduksikan oleh sebuah pompa atau sistem
pengedar (circulating sistem) yang lain, maka digunakan istilah
konveksi paksa (forced convection).
19
Jika aliran fluida timbul karena akibat adanya daya apung fluida
yang disebabkan oleh pemanasan, maka proses perpindahan panas
konveksi tersebut dinamakan konveksi bebas (free) atau konveksi
alami (Stoecker dan Jones,1977).
Untuk menentukan nilai koefisien perpindahan panas konveksi agak
sedikit rumit, karena harga koefisien perpindahan panas konveksi
dalam sebuah sistem tergantung pada geometri permukaan dan sifat-
sifat termal fluida (konduktivitas termal, kalor spesifik, densitas).
Sehingga koefisien perpindahan panas konveksi dapat ditentukan
dengan persamaan sebagai berikut: (Kreith, 1997).
(2.4)
Dimana :
hc = Koefisien perpindahan panas konveksi di dalam tabung
(W/m2.K )
Nu = Bilangan Nusselt
k = Koefisien perpindahan panas konduksi (W/m.K)
D1 = Diameter tube (m)
2.5 Heat Transfer Fluid
Heat transfer fluid atau fluida penghantar panas adalah cairan atau gas yang
mengangkut panas dari satu komponen ke komponen lain di dalam proses
yang memerlukan pemanasan atau pendinginan atau hanya untuk
mempertahankan suhu secara konstan.
20
2.5.1 Molten Salt
Molten salt atau garam cair sering digunakan dalam studi
pemanfaatan energi matahari karena kelebihannya seperti stabilitas
termodinamika hingga suhu tinggi, stabilitas radiasi, tekanan rendah
pada suhu operasi dan sebagai cairan penghantar panas maupun
penyimpan panas yang baik. (Zhao, 2017).
2.5.2 Thermal Oil
Thermal oil adalah jenis minyak non toxic dengan tingkat
kemurnian yang tinggi dan kinerja yang optimal dimana thermal
oil ini dapat stabil dalam rentang suhu yang cukup tinggi
tergantung dengan jenisnya. Thermal oil biasa digunakan sebagai
media penghantar dan kolektor panas yang baik, memiliki sifat
korosi yang rendah dan tidak mudah terbakar. Kelemahan dari HTF
menggunakan thermal oil adalah karena harganya yang cukup
mahal.
2.6 Computational Fluid Dynamics ( CFD )
Computational fluid dynamics (CFD) adalah cabang dinamika fluida yang
menggunakan metode numerik dan alogaritma untuk memprediksi pola
aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia dan fenomena lainnya.
Komputasi dinamika fluida diperlukan dalam menyelesaikan permasalahan
perhitungan yang memerlukan komputer dalam bidang dinamika fluida.
Komputer juga digunakan dalam melakukan perhitungan yang diperlukan
dalam mensimulasikan interaksi antara benda padat dan fluida.
21
2.6.1 Metode Perhitungan CFD
Computational fluid dynamics (CFD) adalah metode perhitungan
dengan memanfaatkan control dimensi volume dan luas, dengan
bantuan komputasi komputer dalam melakukan perhitungan pada
setiap elemen pembaginya.
Prinsip computational fluid dynamics (CFD) adalah suatu ruang
yang berisi fluida dilakukan perhitungan dengan membagi-bagi
menjadi beberapa bagian, yang dinamakan dengan sel. Proses
pembuatan sel disebut dengan meshing. Sel-sel tersebut menjadi
control perhitungan yang akan dilakukan oleh software.
2.6.1.1 Metode Beda Hingga
Prinsip metode beda hingga dekat dengan skema numerik
yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan diferensial
biasa. Terdiri dari perkiraan operator diferensial dengan
mengganti turunan dalam persamaan menggunakan
diferensial hasil bagi. Domain dipartisi dalam ruang dan
dalam waktu dan perkiraan solusi dihitung pada ruang atau
titik waktu. Kesalahan antara solusi numerik dan solusi pasti
ditentukan oleh kesalahan yang dilakukan oleh dari operator
diferensial ke operator perbedaan. Kesalahan ini disebut
kesalahan diskritisasi atau pemotongan kesalahan. Kesalahan
pemotongan istilah mencerminkan fakta bahwa bagian
terbatas dari seri Taylor digunakan dalam perkiraan.
22
2.6.1.2 Metode Element Hingga
Metode elemen hingga (FEM) adalah teknik numerik untuk
memecahkan masalah yang dijelaskan dengan persamaan
diferensial parsial atau dapat diformulasikan sebagai
minimalisasi fungsional. Domain yang menarik
direpresentasikan sebagai perakitan elemen hingga. Fungsi
perkiraan dalam elemen hingga ditentukan dalam hal nilai-
nilai nodal dari bidang fisika yang dicari.
Masalah fisika yang berkelanjutan adalah berubah menjadi
diskritisasi masalah elemen hingga dengan nilai nodal yang
tidak diketahui. Untuk masalah linier sistem persamaan
aljabar linier harus diselesaikan. Nilai di dalam elemen
hingga dapat dipulihkan menggunakan nilai nodal.
2.6.1.2 Metode Volume Hingga
Metode volume hingga (FVM) adalah teknik diskritisasi
untuk diferensial parsial persamaan, terutama yang muncul
dari hukum konservasi fisika. FVM menggunakan volume
formulasi integral dari masalah dengan seperangkat volume
yang terbatas untuk diskritisasi persamaan. FVM biasa
digunakan untuk mendiskritisasi persamaan dinamika fluida
komputasi (Eymard, 2000).
23
Nantinya setiap titik kontrol akan dilakukan perhitungan oleh software
dengan batasan boundary condition dan domain yang telah ditentukan.
Proses perhitungan dalam computational fluid dynamics (CFD) secara
umum terdiri dari tiga tahapan utama yaitu: preprocessing, processing dan
post processing.
2.6.2 Tahap Preprocessing
Tahap preprocessing merupakan tahap awal dari proses CFD, pada
tahap ini akan dilakukan beberapa proses sebagai berikut:
2.6.2.1 Definisi geometri dari benda kerja.
Pada proses ini akan dilakukan proses pemodelan dari benda
kerja. Proses pemodelan bisa langsung menggunakan
software CFD, tetapi untuk benda kerja yang rumit bentuknya
sebaiknya menggunakan software assembly seperti
SolidWork.
2.6.2.1 Pembuatan grid (mesh) atau disebut sebagai meshing.
Meshing adalah proses membagi komponen - komponen yang
akan dianalisis menjadi elemen-elemen kecil atau diskrit.
Semakin baik kualitas mesh maka akan semakin tinggi
tingkat konvergensinya.
24
Gambar 2.9. Meshing pada CFD
2.6.3 Tahap Processing
Processing merupakan proses kedua dari CFD, didalam tahap ini
akan dilakukan penentuan kondisi batas (boundary condition) dan
pemilihan metode inisiasi. Dalam penentuan kondisi batas akan
dimasukkan nilai dari parameter-parameter yang dibutuhkan.
Perhitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol
dengan proses integrase persamaan diskrit.
2.6.4 Tahap postprocessing
Tahap postprocessing merupakan tahap akhir dimana hasil
perhitungan di interprtasikan kedalam gambar, grafik bahkan dengan
animasi dengan pola-pola warna tertentu. Contoh hasil dari simulasi
dapat berupa kontur warna sebagai berikut:
25
Gambar 2.10. Hasil simulasi CFD berupa kontur warna
Dalam dunia industri computational fluid dynamics (CFD) banyak
digunakan karena computational fluid dynamics (CFD) dapat
melakukan analisa dalam suatu sistem, dengan mengurangi biaya
eksperimen serta tentunya waktu yang panjang dalam melakukan
ekperimen tersebut.
Hal ini membantu dalam proses design engineering dengan
menjadikan tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek. Selain
itu dengan menggunakan computational fluid dynamics (CFD) akan
memperdalam pemahaman mengenai karakteristik aliran fluida dan
aliran panas dengan melihat hasil berupa vector, grafik, kontur
bahkan animasi.
24
III. METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian yang akan dilakukan adalah membuat simulai distribusi temperatur dari
dinding luar reaktor menuju ruang torefaksi pada reaktor torefaksi tipe batch skala
laboratorium menggunakan perangkat lunak ANSYS Fluent 18.2. Hal ini bertujuan
untuk mendapatkan profil distribusi temperatur pada reaktor dan mengetahui
lamanya waktu yang dibutuhkan reaktor untuk mencapai temperatur torefaksi
yang diinginkan.
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian
Tempat dan waktu penelitian yang akan dilakukan pada penelitian ini adalah
sebagai berikut:
3.1.1 Tempat Penelitian
Proses studi literatur dan simulasi ini akan dilakukan di
Laboratorium Termodinamika di Jurusan Teknik Mesin
Universitas Lampung
3.1.2 Waktu Penelitian
Penelitian ini akan dilakukan pada bulan Juli hingga Oktober 2018.
Deskripsi kegiatan yang akan diakukan dalam waktu penelitian
tersusun pada tabel berikut :
27
Tabel 3.1. Jadwal kegiatan penelitian
Kegiatan
Juni Juli Agustus September Oktober November
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
1
Studi Literatur
dan
Pengumpulan
data
2 Persiapan Alat
3 Pengujian
4 Analisa dan
Pengolahan
Data
5 Pembuatan
Laporan Akhir
3.2 Tahapan Penelitian
Tahapan – tahapan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
- Studi literatur
Studi literatur pada penelitian ini dilakukan dengan cara mengumpulkan
literatur mengenai teknologi torefaksi sampah sistem kontinu (reaktor
tubular), spesifikasi fluida penghantar panas, distribusi panas dan
simulasi proses distribusi panas dengan menggunakan perangkat lunak.
- Persiapan Alat
Pemodelan simulasi proses distribusi panas pada mesin torefaksi sampah
system kontinu dengan reaktor tubulan menggunakan perangkat lunak.
- Pengujian
Melakukan pengujian simulasi proses distribusi panas pada mesin
torefaksi sampah sistem kontinu menggunakan perangkat lunak
menggunakan parameter dan data – data yang telah ditentukan
28
Mulai
- Analisa dan Pengolahan Data
Data yang diperoleh dari pemodelan simulasi distirbusi panas digunakan
sebagai
- Pembuatan Laporan Akhir
Memberikan kesimpulan dan pembuatan laporan akhir hasil penelitian.
3.3 Alur Tahapan Penelitian
Secara umum alur penelitian yang akan dilaksanakan dapat dijabarkan
melalui flowchart dibawah ini :
Studi Literatur Text Book
Jurnal
Pengumpulan data :
1. Pengumpulan data dan
spesifikasi alat torefaksi
2. Desain sistem simulasi
Apakah
Data
Lengkap?
Ya
A
Tidak
Instalasi Aplikasi
29
Selesai
Gambar 3.1. Diagram alur penelitian
Proses simulasi distribusi
dilakukan dengan :
1. variasi fluida penghantar
panas
2. variasi sudut burner
Analisis data dan Pembahasan :
Pengaruh jenis fluida penghantar panas
dan variasi sudut burner terhadap kontur
distribusi temperatur pada reaktor.
Kesimpulan
A
Data Hasil Pengujian
menyesuaika
n dengan
data validasi
Persiapan
Pemodelan dan Simulasi
Tidak
30
3.4 Pengumpulan Data
Pengumpulan data yang dilakukan adalah demgam mengumpulkan
karakteristik / sifat dari dinding reaktor dan fluida penghantar panas yang
akan digunakan pada fluid jacket dan ruang torefaksi pada proses simulasi
reaktor torefaksi serta data hasil eksperimen yang telah dilakukan.
Karakteristik dari fluida penghantar panas yang digunakan adalah berupa
massa jenis, konduktivitas thermal, panas spesifik dan viskositas kinematik.
3.5 Desain Reaktor Dan Titik Pengukuran Pada Simulasi
Pada Gambar 3.2 dan Gambar 3.3 menunjukkan desain dan titik pengukuran
temperatur simulasi reaktor torefaksi kontinu tipe tubular dengan sistem
pemanas selimut fluida. Untuk memudahkan proses simulasi, maka dibuat
desain yang lebih sederhana sehingga dapat mempercepat proses simulasi.
Gambar 3.2 Desain tabung reaktor 2D untuk simulasi
31
Gambar 3.3 Titik pengambilan data temperatur pada simulasi reaktor
torefaksi
Batas geometrinya meliputi plat luar/ dinding luar reaktor, fluid jacket, plat
dalam/ dinding dalam reaktor dan ruang torefaksi pada reaktor. Ukuran
geometri menyesuakan dengan bentuk reaktor dengan desain 2 dimensi (2D)
tampak depan dengan asumsi panjang dan bentuk tabung reaktor seragam.
3.6 Pemodelan Dan Simulasi Ansys Fluent 18.2
Pada proses simulasi yang akan dikerjakan, menggunakan program
Computational Fluid Dynamic(CFD) Ansys Fluent versi 18.2. Tahapan
yang dilakukan untuk menjalankan program Ansys Fluent memerlukan
beberapa tahapan, yaitu :
Titik Treaktor :
Hitam : Titik Pusat
Biru : titik 1
Hijau : titik 2
Merah : titik 3
Kuning : titik 4
Titik Tfluida :
Biru : titik 1
Hijau : titik 2
Merah : titik 3
Kuning : titik 4
32
3.6.1 Tahap Preprosessing
Tahap ini dimulai dengan mendesain geometri sesuai dengan alat yang
akan disimulasikan dan kemudian melakukan meshing untuk
menentukan batas bidang objek geometri dan pengecekan meshing.
3.6.1.1 Mendesain Geometri
Pada Gambar 3.4 dan 3.5 merupakan bentuk geometri yang
dibuat menggunakan program Design Modeler pada Ansys
Fluent versi 18.2. Batas geometrinya meliputi plat luar/
dinding luar reaktor, fluid jacket, plat dalam/ dinding dalam
reaktor dan ruang torefaksi pada reaktor.
Gambar 3.4 Desain sketch pada Design Modeler
Ukuran geometri menyesuakan dengan bentuk reaktor
dengan desain 2 dimensi (2D) dengan perpotongan searah
sumbu Y dengan asumsi panjang dan bentuk tabung reaktor
seragam.
33
Gambar 3.5 Desain surface body pada Design Modeler
3.6.1.1 Menentukan Meshing
Setelah membuat desain geometri, langkah selajutnya adalah
menetukan meshing seperti yang tampak pada Gambar 3.6
merupakan hasil meshing pada keseluruhan komponen
reaktor pada geometri 2 dimensi. Tahap ini menentukan
ketelitian dalam proses analisa pada Ansys fluent dimana
semakin kecil ukuran meshing pada suatu objek maka tingkat
ketelitian hasil analisa akan semakin baik. Ukuran meshing
yang digunakan dalam simulasi ini sebesar 3 mm.
Gambar 3.6 Desain surface body pada Design Modeler
34
3.6.2 Tahap Prossesing
Tahap prossesing merupakan salah satu tahap yang paling utama
dalam sebuah simulasi, dalam tahap ini akan dimasukkan kondisi
batas serta parameter – parameter yang diperlukan untuk menjalankan
simulasi. Tahap ini merupakan tahap dimana tempat berlangsungnya
semua proses general, models, material, cell zone condition, boundary
condition, mesh interfaces, initialization, calculation activities dan run
calculation.
3.6.2.1 General Menu
Pada Gambar 3.7 tollbar general menu dalam simulasi ini,
untuk simulasi perpindahan panas dipilih pada time transient
dengan velocity formulation yang absolute dan menggunakan
metode solusi default berdasarkan pada tekanan. Kemudian
rubah set unit temperatur dalam oC dan kecepatan gravitasi
sebesar -9.81 m/s2 kearah sumbu Y.
Gambar 3.7 Toolbar general menu
35
3.6.2.2 Models Menu
Pada Gambar 3.8 toolbar models menu terdapat beberapa
pengaturan yang bisa dipilih seperti multiphase, energy,
viscous, electrical potential dan lain – lain. Dalam hal ini,
untuk simulasi distribusi termal yang akan dilakukan cukup
mengubah pengaturan pada opsi energi dari kondisi off ke on.
Gambar 3.8 Toolbar models menu
3.6.2.3 Material Menu
Pada Gambar 3.9 dan 3.10 merupakan toolbar material menu
yang digunakan untuk menyesuiakan material yang
digunakan dalam eksperimen ke dalam simulasi dan
menentukan karakteristik material yang digunakan seperti
massa jenis, panas spesifik, konduktivitas termal dan
viskositas dinamik. Pada opsi ini dipilihlah material berupa
baja, oli, molten salt, nitrogen dan udara.
36
Gambar 3.9 Toolbar solid materials menu
Gambar 3.10 Toolbar fluid materials menu
3.6.2.4 Cell Zone Condition Menu
Dalam cell zone condition menu pada Gambar 3.11 tiap –
tiap bagian disesuaikan dengan nama dan jenis material yang
digunakan. Pada bagian dinding luar dan dinding dalam
(steel1 dan steel2) berupa material baja (steel), bagian hot
fluid dipilih material oil / molten salt, pada bagian ruang
reaktor dipilih material nitrogen, dan pada bagian ambient
dipilih material udara.
37
Gambar 3.11 Toolbar cell zone condition menu
3.6.2.5 Boundary Condition Menu
Pada Gambar 3.12 merupakan boundary condition, dimana
pada tahap ini batas – batas kondisi yang digunakan dalam
simulasi ditentukan mulai dari fluks panas pada pemanas
(heater) sampai temperatur ambient.
Gambar 3.12 Toolbar boundary condition menu heater
38
3.6.2.6 Mesh Interface Menu
Pada gambar 3.13 Mesh Interface Menu merupakan menu
untuk menetukan antarmuka antar dua jenis zat atau lebih
pada meshing yang telah dilakukan. Pada menu ini penentuan
antarmuka dilakukan secara manual setelah sebelumnya tiap
– tiap bagian zat yang bersinggungan diberi nama interface 1
sampai 4.
Gambar 3.13 Toolbar mesh interface menu
3.6.2.7 Initialization Menu
Gambar 3.14 menunjukkan initialization menu, dimana pada
menu ini terdapat opsi untuk menentukan nilai tiap variabel
untuk aliran dan menginisialisasi metode yang ingin dipakai
untuk menghitung simulasi yang dilakukan. Dalam hal ini
dipilih opsi standard Initialization dengan perhitungan
berawal dari heater.
39
Gambar 3.14 Toolbar initialization menu
3.6.2.8 Calculation Activities Menu
Gambar 3.15 menunjukkan calculation activities yang
berfungsi untuk mengatur berbagai tugas yang dapat
dilakukan selama perhitungan, seperti menyimpan file,
mengekspor file, membuat animasi dan eksekusi perintah.
Pada toolbar ini dipilih opsi solution animation untuk
membuat animasi perpindahan panas pada kondisi transient.
Gambar 3.15 Toolbar calculation activities menu
40
3.6.2.9 Run Calculation Menu
Toolbar Run Calculation pada Gambar 3.16 berisi tentang
pengaturan number of time step, time step (s) dan jumlah
maksimal iterasi yang akan dilakukan. hal ini sangat
menentukan hasil dari proses simulasi dimana semakin time
step dan jumlah iterasi, maka semakin baik hasil dari simulasi
yang akan ditampilkan. Pada toolbar ini dpilih opsi iterasi
berjumlah 20, time step menyesuaikan waktu yang ingin
dicapai dan 1 time step (s).
Gambar 3.16 Toolbar run calculation menu
67
V. PENUTUP
5.1 Simpulan
Berdasarkan hasil simulasi dan pengembangan yang telah dilakukan, dapat `
diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Pemodelan CFD menggunakan Ansys Fluent 18.2 dapat diandalkan
untuk melihat profil distribusi panas pada bagian dalam reaktor. Pada
gambar hasil simulasi menggunakan CalfloTM AF dan molten salt pada
sudut burner 60o, 120o, dan 180o profil temperatur di bagian dalam
reaktor cenderung seragam ketika mencapai temperatur torefaksi yang
diinginkan.
3. Penambahan besarnya sudut burner menjadi 180o pada simulasi
menggunakan CalfloTM AF mempercepat durasi pemanasan reaktor
untuk mencapai temperatur torefaksi yaitu selama 47 menit. Pada
pnggunaan molten salt mempercepat durasi waktu menjadi 59 menit
untuk mencapai temperatur torefaksi. Pada burner 60o pada simulasi
menggunakan CalfloTM AF memperlambat durasi pemanasan reaktor
untuk mencapai temperatur torefaksi yaitu selama 130 menit. Pada
pnggunaan molten salt mempercepat durasi waktu menjadi 170 menit..
67
5.2 Saran
Berdasarkan hasil penelitian dan analisa yang telah dilakukan serta untuk
pengembangan penelitian selanjutnya maka saran yang dapat diberikan
adalah :
1. Perlu dilakukan pengujian menggunakan molten salt untuk
memvalidasi hasil simulasi yang telah dilakukan.
2. Disarankan menggunakan perangkan lunak lain sebagai pembanding
dari simulasi yang telah dilakukan.
3. Disarankan untuk melakukan variasi dengan fluida penghantar panas
lain agar didapat fluida yang lebih efisien dalam mendistribusikan
panas pada reaktor.
DAFTAR PUSTAKA
Amrul, Amrizal. 2014. Pengembangan Model Matematika Kinetika Reaksi
Torefaksi Sampah. Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV,
Banjarmasin.
Apriyanto, Agus. 2018. Rancang Bangun Dan Analisis Unjuk kerja Reaktor
Torefaksi Kontinu Tipe Tubular Dengan Sistem pemanas Oil Jacket.
Masters Thesis. Universitas Lampung.
Azhar, H. Rustamaji. 2009. Bahan Bakar Padat Dari Biomassa Bambu Dengan
Proses Torefaksi Dan Densifikasi, Universitas Lampung, Lampung.
Basu Pabir. 2010. Biomass Gasification and Pyrolisis: Practical Design and
Theory. Elsevier, Oxford, UK.
Basu Pabir. 2013. Biomass Gasification, Pyrolysis, and Torrefaction: Practical
Design and Theory, Second Edition. Elsevier, Oxford, UK.
Bergman P.C.A., Boersma A.R., dan Jacob H.A. 2004. Torefaction for Entrained-
Flow Gasification of Biomass, Energy Research Center of Netherlands
(ECN), Unit ECN Biomass, Einhoven.
Bergman P.C.A., Boersma A.R., dan Jacob H.A. 2004. Torefaction for Biomass
Co-Firing in Existing Coal-Fired Power Tations, Energy Research Center
of Netherlands (ECN), Unit ECN Biomass, Einhoven.
Chen, Xia., Wang, Chao., Wu, Yuting., Liu, Bin., Ma, Chongfang. 2017.
Characteristics of The Mixed Convection Heat Transfer of Molten Salts in
Horizontal Square Tubes. Solar Energy-147 (2017) 248-256.
Chen, Dezhen., Lijie, Yin., Huan, Wang., Pinjing, He. 2014. Pyrolysis
Technologies for Municipal Solid Waste: A Review. Waste Management
Hui Liu, Xinhua Liu, Robert Legros, Xiaotao T. Bi, C.J Lim,Shahab Sokhansanj.
2014. Torrefaction of Sadwust In a Fluidized Bed Reactor. Environmental
Science Division, Oak Ridge National Laboratory.
Holman, J.P. 1984. Perpindahan Kalor. Edisi Kelima. Erlangga: Jakarta.
Incropera, Frank P. 1990. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. John Wiley
& Sons: New York
Kreith, Frank. 1986. Prinsip-prinsip Perpindahan Panas. Edisi Ketiga. Erlangga:
Jakarta.
Mulyana, Rida. 2015 Buku Panduan Sampah Menjadi Energi, Kementrian Energi
Dan Sumber Daya Mineral, Jakarta.
R. Eymard, T. Gallou¨et, and R. Herbin. Finite volume methods. In Handbook of
numerical analysis, Vol. VII, Handb. Numer. Anal., VII, pages 713–1020.
North-Holland, Amsterdam 2000.
Yanyang Mei, Rujie Liu, Qing Yang, Haiping Yang, Jingai Shao, Christopher
Draper, Shihong Zhang, Hanping Chen. 2014. Torrefaction of Sadwust In a
Fluidized Bed Reactor. Environmental Science Division, Oak Ridge
National Laboratory.
Young Gary C. 2010. Municipal Solid Waste to Energy Conversion Processes:
Economic, Technical, and Renewable Comparisons. Hooboken, New Jersey