Tugas Pak Muhtar Gue
-
Upload
tiara-octavianing-pradilis -
Category
Documents
-
view
51 -
download
0
Transcript of Tugas Pak Muhtar Gue
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.