SIMULASI TERMAL SISTEM PEMANAS SELIMUT …digilib.unila.ac.id/57571/3/SKRIPSI TANPA BAB...

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




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.




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


pemanas molten salt (a) durasi 10 menit (b) durasi 20 menit,

(c) durasi 30 menit, (d) durasi 40 menit. ......................................... 47


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


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


180o menggunakan fluida pemanas molten salt: (a) Temperatur

Oli, (b) Temperatur dalam reaktor ....................... .......................... 55


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


xx


Oli, (b) Temperatur dalam reaktor .................................................. 59


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


600o menggunakan fluida pemanas molten salt, (a) Temperatur

Oli, (b) Temperatur dalam reaktor ................................................. 61


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

SIMULASI TERMAL SISTEM PEMANAS SELIMUT …digilib.unila.ac.id/57571/3/SKRIPSI TANPA BAB...

Documents

Transcript of SIMULASI TERMAL SISTEM PEMANAS SELIMUT …digilib.unila.ac.id/57571/3/SKRIPSI TANPA BAB...