Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-07

Pengembangan Model Matematika KinetikaReaksi Torefaksi Sampah

Amrul1,a*, Amrizal1,b

1Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas LampungJl. Sumantri Brojonegoro No. 1, Bandar Lampung, Indonesia

aamrul@eng.unila.ac.id, bamrizal@eng.unila.ac.id

Abstrak

Untuk menjamin keamanan pasokan energi nasional di masa depan diperlukan usaha-usaha yangintensif untuk mencari sumber energi alternatif. Salah sumber energi alternatif yang saat ini belumbanyak dilirik adalah sampah kota. Namun dalam aplikasinya, pemanfaatan sampah secaralangsung sebagai bahan bakar mempunyai banyak kendala, baik secara teknis maupun non-teknis.Salah satu teknologi yang menjanjikan yang dapat mengkonversi sampah menjadi bahan bakarpadat adalah proses torefaksi. Torefaksi merupakan proses perlakuan panas material padat padatemperatur 200-300oC tanpa kehadiran oksigen. Hasil eksperimen torefaksi sampah menunjukkanbahwa produk torefaksi mempunyai nilai kalor yang lebih tinggi dari bahan baku. Pengembangansebuah model matematika kinetika reaksi torefaksi sampah diperlukan untuk eksperimen yang lebihluas dan kompleks. Model matematika ini dikembangkan dari data-data yang diperoleh melaluieksperimen torefaksi sampah yang telah dilakukan. Model matematika ini diharapkan mampumemprediksi parameter utama torefaksi untuk pengujian berbagai jenis komponen sampah lainnyasehingga pelaksanaan eksperimen dapat lebih efektif dan efisien. Dari model matematika inidiperoleh beberapa parameter kinetika torefaksi, yakni konstanta pre-eksponensial sebesar 1.13x10-

2 (s-1) dan energi aktivasi sebesar 1.2712 x10-4 (J/mol).

Kata kunci: torefaksi, kinetika, sampah padat perkotaan, model matematika, nilai kalor.

Pendahuluan

Sumber energi primer nasional saat ini masihbertumpu pada bahan bakar fosil, yakni minyakbumi, gas alam dan batu bara. Meningkatnyapopulasi penduduk dan semakin besarnyakonsumsi energi per kapita menyebabkansumber energi tersebut semakin cepat menipisdan harganya juga semakin tinggi. Untukmenjamin keamanan pasokan energi nasional dimasa depan, maka diperlukan usaha-usahayang intensif untuk mencari sumber energi

alternatif. Hal ini juga seiring denganKebijakan Energi Nasional yang tertuangdalam sasaran Bauran Energi (energy mixed)Nasional 2025.

Sementara itu, keberadaan sampah di kota-kotabesar di Indonesia belum mendapatkan solusiyang mendasar. Produksi sampah selalumeningkat dari waktu ke waktu, sehingga perludicarikan solusinya.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-07

Fraksi massa terbesar sampah kota adalahmaterial organik yang berpotensi dimanfaatkansebagai bahan bakar. Namun dalamaplikasinya, pemanfaatan sampah secaralangsung sebagai bahan bakar mempunyaibanyak kendala, baik secara teknis maupunnon-teknis. Kendala teknis di antaranya adalahkandungan air yang tinggi, densitas energi yangrendah serta komponen yang heterogen danbentuk yang beragam. Sedangkan kendala non-teknis adalah berupa bau busuk dan potensisumber bibit penyakit.

Berbagai kendala tersebut di atas menyebabkansampah kurang layak digunakan sebagai bahanbakar secara langsung. Sebaliknya, jika dalampengelolaan sampah diterapkan teknologi yangtepat maka akan didapatkan dua keuntungansekaligus, yakni berkurangnya jumlah sampahsecara signifikan dan dihasilkannya bahanbakar alternatif dari sampah. Salah satuteknologi yang menjanjikan yang dapatmengkonversi sampah menjadi bahan bakarpadat adalah proses torefaksi.

Torefaksi merupakan proses perlakuan panasmaterial padat pada temperatur tertentu (sekitar200-300oC), yang dilakukan pada tekananatmosfer tanpa kehadiran oksigen.

Penelitian yang dilakukan oleh penulis besertatim secara terus menerus melalui eksperimenmenggunakan reaktor batch telahmenghasilkan bahan bakar padat yang berasaldari torefaksi sampah dengan kualitas setarabatubara subbituminous bernilai kalor (HHV)4.900-6.800 kcal/kg [1].

Makalah ini akan membahas kajian teoritiktorefaksi sampah untuk membangun suatumodel matematika kinetika reaksi torefaksisampah. Model matematika ini diharapkanmampu menjadi basis eksperimen torefaksisampah untuk cakupan yang lebih luas dankompleks.

Metodologi

Langkah-langkah yang akan ditempuh secaraumum adalah penggambaran model, formulasimatematika dan perbandingan model denganhasil eksperimen. Pada tahap penggambaranmodel diperlukan berbagai informasi yangterkait dengan sifat-sifat fisik, kimia dantermodinamika spesimen, serta mekanismedekomposisi spesimen. Secara umum,mekanisme dekomposisi spesimen dapatdiamati dari hasil eksperimen torefaksi. Padatahap penggambaran model ini perlu ditentukansecara tegas penyederhanaan mekanismedekomposisi, apakah satu tingkat atau duatingkat atau banyak tingkat serta bentukreaksinya apakah independen, over lappingatau bersamaan.

Pada tahap formulasi matematika, faktor kunciadalah bagaimana menentukan persamaandiferensial yang sesuai dengan penggambaranmodel. Setelah itu diperlukan pendefinisiankondisi batas secara spesifik sehinggapersamaan bisa diselesaikan. Beberapakonstanta persamaan, misalnya faktorpreeksponensial, biasanya diperoleh dari datapengujian melalui pendekatan numerik.

Tahap akhir adalah komparasi model denganeksperimen, dimana hasil perhitungan berbagaiparameter torefaksi dibandingkan dengan hasilyang diperoleh melalui eksperimen.

Bahan yang dibutuhkan untuk penelitian iniadalah data-data hasil eksperimen sebelumnya.Data ini selanjutnya diolah menggunakanprogram aplikasi yang sudah ada.

Model Matematika Torefaksi

Kinetika reaksi diperlukan untuk memprediksiwaktu yang diperlukan untuk memperoleh hasil

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-07

yang diinginkan dari suatu proses termo-kima.Struktur molekul bahan bakar padat yangkompleks membuat kinetika reaksidekomposisi komponennya juga tidaksederhana.

Berbagai model reaksi dekomposisi senyawaorganik telah dikembangkan. Model-modelyang telah dikembangkan tersebut dapatdigolongkan dalam reaksi global satu tingkat,dua tingkat, dan bertingkat banyak (multi step).Pada tingkat-tingkat rekasi tersebut ada yangindependen, overlap, maupun bersama [2].

Reaksi global satu tingkat memberikandiskripsi umum pada keseluruhan reaksi tetapisulit untuk membandingkannya secarakonsisten dengan peneliti lainya [3]. Bahkandisimpulkan bahwa dekomposisi hemiselulosetidak dapat dimodelkan dengan kinetikasederhana [4]. Mekanisme reaksi bertingkatbanyak, memberikan hasil yang lebih baik[5,6,7].

Model kinetika reaksi yang digunakandalam makalah ini adalah model reaksi globalsederhana satu tingkat, yaitu:

A B

Perubahan fraksi mol A menjadi Bdinyatakan dengan persamaan berikut ini [2]:

kAdt

dA .............................................. (1)

Konstanta reaksi k dimodelkan denganpersamaan Arhenius sebagai berikut [2]:

.............................. (2)

Dimana:A = faktor preekaponensial (s-1)E = energi aktivasi (J/mol)R = tetapan gas universal (8,314 J·K-1·mol-1)T = temperatur (K)

Pembuatan model matematika kinetikareaksi torefaksi dilakukan terhadap komponensampah kulit jeruk. Perhitungan parameterkinetika reaksi torefaksi kulit jeruk untukberbagai temperatur dan waktu tinggalditunjukkan oleh Tabel 1.

Tabel 1. Parameter kinetika reaksi torefaksi kulit jeruk.

M1 -LN (MA/MO) M2 -LN (MA/MO) M3 -LN (MA/MO) M4 -LN (MA/MO) M5 -LN (MA/MO)0 100 0 100 0 100 0 100 0 100 0

500 80.72 0.21418381 78.69 0.239654103 71.6 0.33407511 68.12 0.38389933 43.27 0.8377106321000 63.34 0.45665314 50.59 0.681416258 43.19 0.8395612 36.79 0.99994412 17.55 1.7401162361500 46.2 0.77219039 38.17 0.963120319 18.08 1.71036383 21.79 1.52371904 14.66 1.920047492000 39.54 0.92785737 26.7 1.320506621 18.08 1.71036383 19.35 1.64247777 12.02 2.1185982572500 32.39 1.12732045 20.37 1.591106956 18.08 1.71036383 19.35 1.64247777 10.58 2.246204763000 31.9 1.14256418 20.37 1.591106956 17.14 1.76375527 19.35 1.64247777 10.58 2.24620476

t (detik) T= 180C T= 215°C T=250°C T=285°C T=315°C

Hasil Dan Pembahasan

Konstanta reaksi untuk masing-masingtemperatur pada proses torefaksi kulit jerukditentukan menggunakan Pers. 2 melalui grafik,seperti ditunjukkan oleh Gambar 1.

y = 0.0004xR² = 0.9621

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 1000 2000 3000 4000

-LN(

MA/

M0)

t (detik)

T=180C

(a)

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-07

y = 0.0006xR² = 0.9668

00.20.40.60.8

11.21.41.61.8

2

0 1000 2000 3000 4000

-LN(

MA/

M0)

t (detik)

T=215C

(b)

y = 0.0007xR² = 0.8093

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1000 2000 3000 4000

-LN(

MA/

M0)

t (detik)

T=250

(c)

y = 0.0007xR² = 0.7871

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1000 2000 3000 4000

-LN(

MA/

M0)

t (detik)

T=285

(d)

y = 0.001xR² = 0.6725

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 1000 2000 3000 4000

-LN(

MA/

M0)

t (detik)

T=315

(e)

Gambar 1 Konstanta reaksi torefaksi kulit jeruk

untuk temperatur (a) 180, (b) 215,

(c) 250, (d) 285, dan (e) 315C.

Konstanta reaksi gabungan yang dinyatakanoleh persamaan Arhenius diberikan oleh Pers.1, yaitu:

(3-1)

Dimana:

k = konstanta reaksiA = 1.13x10-2 (s-1)E = 1.2712 x10-4 (J/mol)

Berdasarkan konstanta reaksi yang diperolehselanjutnya dapat ditentukan model matematikakinetika reaksi proses torefaksi komponensampah kulit jeruk melalui persamaan:

.......................................... (3)

Dimana:

MA = Massa yang tertinggal setiap saat (%)

M0 = Massa awal (100%)

k = konstanta reaksi

t = waktu (s)

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-07

Perbandingan massa relatif, yakni massa yangtertinggal setiap saat, antara hasil simulasi daneksperimen pada proses torefaksi kulit jerukditunjukkan oleh Gambar 2.

0

20

40

60

80

100

120

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Mas

sa r

elat

if (%

)

t (detik)

simulasi

data

Gambar 2 Perbandingan massa relatif antarahasil simulasi dan eksperimen pada proses

torefaksi kulit jeruk.

Dari Gambar 2, grafik hasil eksperimen (data)menunjukkan kecenderungan massa relatifmenuju asimtot untuk waktu tinggal yang lebihlama, sementara grafik hasil pemodelan(simulasi) menunjukkan massa relatifcenderung terus menurun. Perbedaankecenderungan ini mungkin disebabkan olehasumsi pemodelan yang hanya menggunakanmodel reaksi satu tingkat. Namun demikian,secara umum dapat dikatakan bahwa massarelatif pada proses torefaksi kulit jeruk dapatdidekati dengan simulasi menggunakan modelmatematika kinetika reaksi yangdikembangkan.

Simpulan

Penelitian ini berhasil mengembangkan sebuahsebuah model matematika sederhana untuktorefasi sampah, khususnya komponen sampahkulit jeruk, menggunakan pendekatan modelreaksi global sederhana satu tingkat.

Hasil simulasi menunjukkan bahwa massapadatan yang tertinggal setiap saat dapatdiprediksi menggunakan model matematikayang dikembangkan.

Dari model matematika ini diperoleh beberapaparameter kinetika torefaksi, yakni konstantapre-eksponensial sebesar 1.13x10-2 (s-1) danenergi aktivasi sebesar 1.2712 x10-4 (J/mol).

Referensi

[1] Aryadi S., Amrul, Toto H., Ari D.P., SolidFuel From Torrefied Municipal SolidWaste, Proceeding of Renewable Energy2010 (2010).

[2] Prins, Mark J., Thermodynamics analysisof biomass gasification and torrefaction,PhD thesis, Technical UniversityEindhoven, 2005.

[3] Di Blasi C, Lanzetta M., Intrinsic kineticsof isothermal xylan degradation in inertatmosphere. Journal of Analytical andApplied Pyrolysis (1997) 40-41.

[4] Órfão JJM, Antunes FJA, Figueiredo JL.,Pyrolysis kinetics of lignocellulosicmaterials – three independent reactionsmodel. Fuel 78 (1999) 349-358.

[5] Várhegyi G, Antal MJ, Szekely T, SzaboP., Kinetics of the thermal decompositionof cellulose, hemicellulose, and sugar canebagasse. Energy & Fuels 3. (1989) 329-335.

[6] Várhegyi G, Antal MJ, Jakab E, Szabó P.,Kinetic modeling of biomass pyrolysis.Journal of Analytical and AppliedPyrolysis 42 (1997) 73-87.

[7] Koufopanos CA, Maschio G, Lucchesi A,Kinetic modelling of the pyrolysis ofbiomass and biomass components.Canadian Journal of Chemical Engineering67 (1989) 75-84.