TUGAS AKHIR

SIMULASI PENGARUH TEMPERATUR TERHADAP SYNGAS YANG

DIHASILKAN PADA BUBBLING FLUIDIZED BED GASIFIER

MENGGUNAKAN CPFD BARRACUDA VIRTUAL REACTOR

Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Menyelesaikan Program Studi Strata I

Pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun Oleh:

AGUS ARIF SETIYON

D200160236

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2020

ii

iii

iv

v

vi

MOTTO

“Allah tidak membebani seseorang itu melainkan sesuai dengan

kesanggupannya”

(QS. Al Baqarah : 286)

”Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan”

(QS. Al Insyirah : 5)

vii

HALAMAN PERSEMBAHAN

Teruntuk Bapak dan Ibu tercinta, beserta kakak dan adik yang saya

sayangi, dan keluarga besar yang saya banggakan.

viii

SIMULASI PENGARUH TEMPERATUR TERHADAP SYNGAS YANG DIHASILKAN PADA BUBBLING FLUIDIZED BED GASIFIER MENGGUNAKAN CPFD BARRACUDA VIRTUAL REACTOR

ABSTRAK

Gasifikasi merupakan proses termokimia pada temperatur tinggi

antara biomassa dan agen gasifikasi dengan pembakaran stoikometrik untuk menghasilkan syngas. Pada gasifikasi juga dihasilkan produk sampingan seperti abu, tar, partikel arang, dan hidrokarbon. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh temperatur terhadap komposisi syngas yang dihasilkan. Pemodelan desain metode simulasi yang digunakan adalah gasifier reaktor dengan diameter 400 mm dan tinggi 3800 mm. Bahan bakar yang digunakan adalah wood pellet berukuran 8 mm hingga 20 mm. Penelitian ini menggunakan 3 variasi temperatur pada gasifier yaitu 600℃, 800℃, dan 1000℃. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode simulasi CPFD Bubbling Fluidized Bed Gasifier dengan menggunakan software Barracuda Virtual Reactor 17.1 dan software Solidwork 2018. Hasil penelitian menunjukan meningkatnya nilai temperatur dapat meningkatkan komposisi syngas yang dihasilkan. Hasil komposisi syngas tertinggi terjadi pada temperatur 1000℃ dan komposisi syngas terendah terjadi pada temperatur 600℃. Penyebabnya yaitu temperatur tinggi akan menyebabkan bahan bakar lebih cepat bereaksi. Kata kunci: Gasifikasi, Bubbling fluidized bed, gasifier, temperatur, simulasi, syngas, komposisi gas

ix

SIMULATION OF THE EFFECT OF TEMPERATURE ON SYNGAS GENERATED ON BUBBLING FLUIDIZED BED

GASIFIER USING CPFD BARRACUDA VIRTUAL REACTOR

ABSTRACT

Gasification is a thermochemical process at high temperatures between biomass and gasification agent by stoichiometric combustion to produce syngas. In gasification, byproducts are also produced, such as ash, tar, charcoal particles, and hydrocarbons. This study aims to determine the effect of temperature on the syngas composition produced. The simulation method design modeling used was a gasifier reactor with a 400 mm diameter and a height of 3800 mm. The fuel used was wood pellets measuring 8 mm to 20 mm. This study used three temperature variations in the gasifier, namely 600, 800 ℃, and 1000 ℃. The method used in this study was the CPFD Bubbling Fluidized Bed Gasifier simulation method using the Barracuda Virtual Reactor 17.1 software and the Solidwork 2018 software. The results show that increasing the temperature value can increase the resulting syngas composition. The highest syngas composition results occur at a temperature of 1000 ℃, and the lowest syngas composition occurs at a temperature of 600 ℃. The reason is that high temperatures will

cause the fuel to react more quickly.

Keywords: Gasification, bubbling fluidized bed, gasifier, temperature, simulation, syngas, gas composition

x

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Warahmatullah Wabarakatuh.

Alhamdulilah rabbil ‘alamin, segala puji bagi Allah SWT yang telah

memberikan hidayah, rahmat dan segala nikmat sehingga penulis dapat

menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Simulasi Pengaruh

Temperatur Terhadap Syngas Yang Dihasilkan Pada Bubbling

Fluidized Bed Gasifier Menggunakan CPFD Barracuda Virtual

Reactor” setelah berbagai dinamika masalah dan perjuangan yang

dihadapi.

Dalam proses penelitian ini tentunya penulis tidak berkerja sendirian.

Oleh karena itu, penulis mengucapkan terimakasih kepada:

1. Ibu, Bapak, Kakak dan Adik yang selalu mendoakan dan menjadi

motivasi hingga penulis bisa melewati segala rintangan yang ada.

2. Bapak Ir. Sri Sunarjono, M.T., Ph.D Selaku kepala Dekan Teknik

3. Bapak Ir. Subroto, M.T., selaku kepala Prodi Teknik Mesin

4. Bapak Nur Aklis, S.T., M.Eng., Selaku Dosen Pembimbing Skripsi

yang telah memberikan bantuan, bimbingan dan arahan selama

penulisan Tugas Akhir ini.

5. Terimakasih kepada Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah

Surakarta atas dibiayai peneltian ini dalam program PID.

6. Bapak Ir Agung Setyo Darmawan, M.T., Selaku Kepala Lab CATIA

yang sudah mengizinkan tempatnya untuk digunakan untuk

mengerjakan Tugas Akhir.

7. Seluruh dosen dan Karyawan Prodi Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta atas ilmu dan bantuannya

selama menjalani masa perkuliahan di teknik mesin.

8. Ghea Wahyu Prakosa, Muh. Maulana Kurniawan dan Rakha Adi

Nugraha, sebagai partner dalam satu tim tugas akhir yang menjadi

xi

xii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................ i

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ......................................... ii

HALAMAN PERSETUJUAN ................................................................. iii

HALAMAN PENGESAHAN................................................................... iv

LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR ........................................................... v

MOTTO .................................................................................................. vi

HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................ vii

ABSTRAK ............................................................................................. viii

KATA PENGANTAR ............................................................................. x

DAFTAR ISI ........................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR ............................................................................... xiv

DAFTAR TABEL ................................................................................... xvi

DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN .................................................. xvii

BAB I PENDAHULUAN ........................................................................ 1

1.1 Latar Belakang ........................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah ..................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah ....................................................................... 2

1.4 Tujuan Penelitian ....................................................................... 2

1.5 Manfaat Penelitian ..................................................................... 2

1.6 Sistematik Penulisan .................................................................. 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ............................................................... 4

2.1 Kajian Pustaka ........................................................................... 4

2.2 Landasan Teori .......................................................................... 5

2.2.1 Biomassa ......................................................................... 5

2.2.2 Gasifikasi .......................................................................... 11

2.2.3 Fluidized Bed Gasifier ...................................................... 14

2.2.4 Parameter Gasifikasi ........................................................ 19

2.2.5 Computational Partikel Fluid Dynamic (CPFD) ................ 25

xiii

BAB III METODE PENELITIAN ............................................................. 26

3.1 Langkah Penelitian ..................................................................... 26

3.2 Desain dan Alat Penelitian ......................................................... 43

3.2.1 Desain Penelitian ............................................................. 43

3.2.2 Alat Penelitian .................................................................. 43

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................... 45

4.1 Laju Aliran Udara pada Gasifier ................................................ 45

4.2 Karakteristik Hidrodinamika Bed dalam Gasifier ....................... 47

4.3 Analisis Pengaruh Temperatur Gasifier ..................................... 52

4.4 Karakteristik Syngas .................................................................. 53

4.4.1 Analisis Komposisi Syngas pada Bagian Gasifier Atas .... 53

4.4.2 Distribusi Konsentrasi Syngas ......................................... 56

4.4.3 Validasi ............................................................................ 59

4.4.4 Low Heating Value (LHV) ................................................ 60

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN ..................................................... 62

5.1 Kesimpulan ................................................................................ 62

5.2 Saran.......................................................................................... 62

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Diagram C-H-O Proses Konversi Biomassa .............. 10

Gambar 2.2 Diagram Skematik yang Menunjukkan Daerah

Fluidisasi Hidrodinamik ............................................. 15

Gambar 2.3 Klasifikasi Partikel ...................................................... 18

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian .............................................. 26

Gambar 3.2 Desain Reaktor dan Hasil Grid pada Barracuda VR .. 28

Gambar 3.3 Material yang Dipakai pada Simulasi ......................... 29

Gambar 3.4 Fraksi Gas Terbang ................................................... 33

Gambar 3.5 Pengaturan Intial Condition pada Fluid ICs ............... 33

Gambar 3.6 Pengaturan Boundary Condition pada Particle BCs .. 34

Gambar 3.7 Variasi Kecepatan Udara ........................................... 34

Gambar 3.8 Lokasi Boundary Condition ........................................ 35

Gambar 3.9 Pengaturan Flow BCs ................................................ 36

Gambar 3.10 Pengaturan Chemical Reaction ................................. 37

Gambar 3.11 Pengaturan Time Control ........................................... 38

Gambar 3.12 Pengaturan Flux Plane .............................................. 39

Gambar 3.13 Hasil Pengaturan Flux Plane ..................................... 39

Gambar 3.14 Pengaturan General Mesh View (GMV) .................... 40

Gambar 3.15 Pengaturan Transient point ....................................... 40

Gambar 3.16 Hasil Pengaturan Transient point .............................. 41

Gambar 3.17 Pengaturan Running 1 step ....................................... 42

Gambar 3.18 Pengaturan Running Total ......................................... 42

Gambar 3.19 Pengaturan Postprocessing dan Analisis .................. 43

Gambar 4.1 Tekanan Bagian Bawah Gasifier ............................... 45

Gambar 4.2 Fenomena Terjadi Bubbling ....................................... 47

Gambar 4.3 Fenomena Karakteristik Bed Setiap variasi

Temperatur ................................................................ 51

Gambar 4.4 Distribusi Perbedaan Temperatur Dalam Gasifier

pada Tiap Variasi Temperatur .................................. 52

xv

Gambar 4.5 Grafik Gas di Bagian Atas Gasifier saat Variasi

Temperatur ................................................................ 54

Gambar 4.6 Perubahan Komposisi Syngas Hasil Gasifikasi ......... 55

Gambar 4.7 Distribusi Gas H2 pada Tiap Variasi Temperatur

pada Detik ke 60 ....................................................... 57

Gambar 4.8 Distribusi Gas CO pada Tiap Variasi Temperatur

pada Detik ke 60 ....................................................... 57

Gambar 4.9 Distribusi Gas CH4 pada Tiap Variasi Temperatur

pada Detik ke 60 ....................................................... 48

Gambar 4.10 Distribusi Gas CO2 pada Tiap Variasi Temperatur

pada Detik ke 60 ........................................................ 59

Gambar 4.11 Perbandingan Syngas ............................................... 60

Gambar 4.12 Grafik Hasil LHV pada Variasi Temperatur ................ 61

xvi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Nilai Kalor Gas Produk .................................................... 11

Tabel 2.2 Persamaan Reaksi Kimia ................................................ 13

Tabel 3.1 Jenis Partikel ................................................................... 29

Tabel 3.2 Kandungan ultimate dan proximate ................................. 30

Tabel 3.3 Persamaan Laju Kinetik Reaksi Kimia ............................. 37

Tabel 3.4 Spesifikasi Hardware dan Software yang Digunakan ...... 44

xvii

DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN

Ar : Bilangan Archimedes

Cd : Koefisien drag

Dp : Drag force partikel

dp : Diameter partikel, m

g : Percepatan gravitasi, m/s2

ṁ : Laju aliran massa, kg/s

m : Massa, kg

Mr : Massa relatif atom, kg/kmol

n : Jumlah mol, mol

Re : Bilangan Reynold

Remf : Bilangan Reynold pada kecepatan minimum fluidisasi

rp : Radius partikel, m

t : Waktu, s

Ug : Kecepatan gas, m/s

Umf : Kecepatan minimum fluidisasi, m/s

Up : Kecepatan partikel, m/s

Utr : Kecepatan transport, m/s

ρg : Massa jenis gas, kg/m3

ρp : Massa jenis partikel, kg/m3

µ : Viskositas gas, Pa.s

SINGKATAN

AFR : Air-Fuel Ratio

BFB : Bubbling Fluidized Bed

CFD : Computational Fluid Dynamic

CPU : Central Processin Unit

CPFD : Computational Partikel Fluid Dynamic

ER : Equivalence Ratio

GMV : General Mesh View

xviii

GPU : Graphics Processing Unit

MP-PIC : Multi Phase-Particle In Cell

VGA : Video Graphics Array

VR : Virtual Reactor