analisis thermogravimetry dan pembuatan briket...
TRANSCRIPT
ANALISIS THERMOGRAVIMETRY
DAN PEMBUATAN BRIKET TANDAN KOSONG DENGAN PROSES PIROLISIS LAMBAT
JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA2012
Oleh :
Harit Sukma
(2109.105.034)
Pembimbing :
Dr. Bambang Sudarmanta, ST. MT.
JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA2012
LATAR BELAKANG
Keterbatasan Sumber Energi
Kebutuhan Energi
Penghasil Energi panasyang ramah lingkungan
Tuntutan Penggunaan EnergiAlternatif Yang Renewable
Teknologi pemanfaatanbiomassa
Biomassa menjadi pilihanenergi alternatif
Pirolisis
Perumusan Masalah
Bahan Baku
Tandan Kosong
Pirolisis
Proximate Thermogravimetry
Kualitas Bahan Bakar Terbaik
Nilai KalorTinggi
EnergiAktivasiRendah
Sampel briket berkualitas
Visualisasi dan perhitungan efisiensi pembakaran pada tungku
TUJUAN
1. Mendapatkan briket bahan bakar padat dari biomassa tandan kosong yang mempunyai spesifikasi Nilai kalor tinggi dan Energi aktivasi rendah.
2. Memperoleh data-data karakteristik dan nilai kalor dengan melalui ujiproximate dan uji thermogravimetry untuk mengetahui energi aktivasipada tandan kosong yang belum dan telah di proses pirolisis denganvariasi heating rate 50C/menit, 100C/menit, dan 200C/menit.
3. Mengetahui hasil visualisasi uji pembakaran briket dengan bahan bakar padat kualitas terbaik.
1. Meningkatkan nilai ekonomis limbah perkebunan berupatandan kosong kelapa sawit dengan mengubahnya menjadiproduk yang lebih berguna.
2. Memberi alternatif bahan bakar biomasa denganbiaya produksi yang murah dengan sifat fisik yang optimum.
Manfaat Penelitian
Biomassa
JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA2012
- Biomassa merupakan istilah yang digunakan untukmenggambarkan semua jenis material organik yang dihasilkandari proses fotosintesis.
- Teknologi pengolahan biomassa yang telah dikembangkan saat inimeliputi teknologi pirolisis, gasifikasi, dan karbonisasi
- Biomassa dapat dibagi menjadi tiga katagori1. Biomassa padat -> biomassa padat dilakukan proses pembriketan 2. Biogas -> diperoleh dari proses anaerob yang
menghasilkan gas yang mudah terbakar (dikenal sebagai metana)
3. Biofuel cair -> diperoleh dari mengolah material organik dengan proses kimia atau fisika untuk memproduksi bahan bakar cair yang dapat terbakar.
Karakteristik Bahan Bakar Padat(Biobriket)
Biobriket dibuat dengan bahan dasar organik yang memiliki nilai karbon. Semua bahan organik yang masih memiliki nilai karbon dapat dibuat menjadi biobriket. Komposisi bahan bakar padat dapat diketahui melalui analisa dan ultimate
Analisa Proximate
1. Moisture content (kadar air)2. Volatile Matter (Kadar zat terbang)3. Pengujian Ash Content (kandungan abu) 4. Pengujian Fixed Carbon
5. Nilai kalor Analisa Ultimate adalah suatu analisayang digunakan untuk mencari kandunganunsur – unsur kimia yang mempunyaipersentase yang tinggi dalam bahan bakarpadat. Unsur kimia yang dicari adalahkandungan karbon, hidrogen, oksigen,nitrogen, sulfur, abu.
Pirolisis (Proses Pengarangan)
Pirolisis adalah dekomposisi kimia bahan organik melaluiproses pemanasan tanpa atau sedikit oksigen atau reagenlainnya,
PirolisisHeating
Rate [oC/s]
Residence
Time [s]Temperature
[oC] Product
Slow < 1 300 - 1800 <400
<600
Char
Gas, oil, char
Fast 500 - 105 0.5 - 5 500 - 650 70% oil
15% char
15% gas
Flash > 105 < 1
< 1
< 0.5
< 650
> 650
1000
Oil
Gas
Gas
Jenis – jenis Pirolisis
Thermogravimetry (TGA)
Thermogravimetric Analysis (TGA) adalah salah satu metodeanalisis termal yang dapat digunakan untuk berbagai jenis material.Metode TGA dilakukan dengan mengukur besar dan lajuperubahan massa benda uji sebagai fungsi dari temperatur atauwaktu pada kondisi lingkungan yang dijaga konstan. Dimana padapengujian ini akan didapatkan hubungan antara waktu,temperature dan penurunan massa.
Gambar. Mesin Thermogravimetry
Energi Aktivasi
Penentuan besaran energi aktivasi dilakukan denganmetode grafis dengan rumusan yang digunakanberdasarkan pada persamaan Arhennius [13]
Keterangan : x = fraksi massa
Moi = Massa sampel awal (gr)mi = Massa sampel aktual sebagai fungsi waktu
(gr)marang,i = Massa arang yang dihasilkan (gr)dx = Penurunan fraksi massadt = Perubahan waktuA = Faktor pre-eksponensialE = Energi aktivasi bahan (J/mol)Ṝ = Konstanta Gas (8.31J/molK)T = Temperatur pada sampel (K)
Pembriketan (Densification)
Salah satu cara yang dikembangkan untuk meningkatkan sifat fisisdan pembakaran biomasa adalah dengan pembriketan biobriket.Prinsip pembriketan yaitu pemberian tekanan pada suatu materialuntuk menghilangkan kekosongan antar partikel.
Dalam kompresi dengan tekanan tinggi dan sedang, biasanya tidakdiperlukan bahan pengikat. Proses kompresi dengan tekanan tinggi dansedang biasanya menggunakan teknologi screw press dan piston press.
Uji Efisiensi Tungku
Effisiensi dalam tungku briket dapat didefinisikan sebagai ratio dari energi yang digunakan dalam proses memanaskanterhadap enegi yang terkandung dalam bahan bakar padat [17]
Keterangan : mw = Massa air panci awal (kg)mwe = Massa air panci setelah di panaskan (kg)Ti = Temperatur awal air (oC)Te = Temperatur pada saat air mendidih (oC)mf = Massa bahan bakar (Kg)Cpw = Nilai kalor specific air (4.187 KJ/Kg.K)Hf = Nilai kalor bahan bakar awal (KJ/Kg)Hl = Nilai kalor laten air (2268 KJ/Kg)
RANCANGAN EKSPERIMEN
Dalam perancangan eksperimen ini ada beberapa parameter yang ingindidapatkan dalam percobaan ini dengan menetapkan parameter input danparameter output. Parameter-parameter tersebut dinyatakan sebagaimanadinyatakan dalam tabel dibawah ini.
Uji Proximate
Sampel uji Moisture Contain
Tandan kosong7.0 %
Tandan kosong (HR 50C/menit)6.8 %
Tandan kosong (HR 100C/menit)6.60 %
Tandan kosong (HR 200C/menit)4.72 %
Moisture Content
Dipanaskan selama 1 jam dengan Temperatur 107oCMengacu pada ASTM D 3173 – 03
.
Volatile Matter
Rumus berdasarkan standar ASTM D3175C = [(A-B)/A] x 100%Volatile matter (%) = C - DDimana: A = Berat sampel awal (gr)
B = Berat sampel setelah pemanasan (gr)C = Berat yang hilang (%)D = Moisture contain (%)
Sampel uji Volatile Matter
Tandan kosong 81.71 %
Tandan kosong (HR 50C/menit) 73.4 %
Tandan kosong (HR 100C/menit) 78.265 %
Tandan kosong (HR 200C/menit) 73.021 %- Temperatur 9000C
- Holding time 30 menit
Ash (Abu)
Rumus berdasarkan standar ASTM D3174Ash (%) = [(A - B)/C] x 100%Dimana :
A = Berat abu + Crucible (gr)B = Berat Crucible kosong (gr)C = Berat sampel awal (gr)
- Temperatur 8000C- Holding time 60 menit
Sampel uji VolatileMatter
Tandan kosong81.71 %
Tandan kosong (HR
50C/menit)73.4 %
Tandan kosong (HR
100C/menit)78.265 %
Tandan kosong (HR
200C/menit)73.021 %
Fixed Carbon
Rumus perhitungan berdasarkan standar ASTM D3172Fixed Carbon (%) = 100% - (Moisture Contain (%) + Ash (%) + Volatile Matter (%))
Fixed Carbon
Tandan kosong 5.4%
Tandan kosong (HR 50C/menit)11.46%
Tandan kosong (HR 100C/menit)7.435 %
Tandan kosong (HR 200C/menit)12.199 %
Tandan kosong5.4%
Tandan kosongArang Tandan
kosong (heating rate 50C/menit)
Arang Tandan kosong (heating rate 100C/menit)
Arang Tandankosong (heating rate 200C/menit)
Moisture 7.0 % 6.8 % 6.60 % 4.72 %
Zat volatil 81.71 % 73.4 % 78.265 % 73.021 %
Ash (Abu) 5.89 % 8.34 % 7.7 % 10.06%
Fixed carbon 5.4% 11.46% 7.435 % 12.199 %
Hasil pengujian proximate
Bomkalorimetri
Bahan yang di UjiNilai Kalor
(cal/gr)Rata – rata Nilai kalor
(cal/gr)Uji 1 Uji 2 Uji 3
Tandan kosong 3210 3194 3203 3202.33
Arang tandan kosong (heating rate50C/menit)
3937 3929 39453937
Arang tandan kosong (heating rate100C/menit)
3797 3780 38003792.33
Arang tandan kosong (heating rate200C/menit)
4325 4314 43404326.33
Dengan menggunakan
Persamaan Arhennius
Pengujian TGA (Bahan uji Tandan Kosong)
Dari regresi linier disamping, didapatkan nilai gradien sebesar y = -2467,6x– 9.2491Sesuai dengan persamaan regresi linier y=mx+c, maka nilai m = -2467,6 . Jika dimasukkan kedalam persamaan Energi Aktivasi, maka didapatkan-E = m Ṝ
-E = -2467,6 K x 8.31 J/mol KE = 20489,136 J/molJadi nilai Energi Aktivasi dari Tandan Kosong sebesar E = 20489,136 J/mol
Pengujian TGA (Bahan uji Arang Tandan Kosong (HR 50C/mnt))
Dari regresi linier disamping, didapatkan nilai gradien sebesar y = -1620,4x – 11,011 Sesuai dengan persamaan regresi linier y=mx+c, maka nilai m = -1620,4 . Jika dimasukkan kedalam persamaan Energi Aktivasi, maka didapatkan-E = m Ṝ
-E = -1620,4 K x 8.31 J/mol KE = 13462,53 J/molJadi nilai Energi Aktivasi dari Tandan Kosong sebesar E = 13462,53 J/mol
Dengan menggunakan
Persamaan Arhennius
Pengujian TGA (Bahan uji Arang Tandan Kosong (HR 100C/mnt))
Dari regresi linier disamping, didapatkan nilai gradien sebesar y = -1123,6x– 11,646Sesuai dengan persamaan regresi linier y=mx+c, maka nilai m = -1123,6 . Jika dimasukkan kedalam persamaan Energi Aktivasi, maka didapatkan-E = m Ṝ
-E = -1123,6 K x 8.31 J/mol KE = 9337,116 J/molJadi nilai Energi Aktivasi dari Tandan Kosong sebesar E = 9337,116 J/mol
Dengan menggunakan
Persamaan Arhennius
Pengujian TGA (Bahan uji Arang Tandan Kosong (HR 100C/mnt))
Dengan menggunakan
Persamaan Arhennius
Dari regresi linier disamping, didapatkan nilai gradien sebesar y = -800,81 x – 12,006 Sesuai dengan persamaan regresi linier y=mx+c, maka nilai m = -1123,6 . Jika dimasukkan kedalam persamaan Energi Aktivasi, maka didapatkan-E = m Ṝ
-E = -800,81 K x 8.31 J/mol KE = 6654,73 J/molJadi nilai Energi Aktivasi dari Tandan Kosong sebesar E = 6654,73 J/mol
Hasil pengujian TGA dan perhitungan Energi Aktivasi
Sampel Uji Energi Aktivasi (E)
Tandan Kosong 20489,136 J/mol
Arang Tankos (HR 50C/menit) 13462,53 J/mol
Arang Tankos (HR 100C/menit) 12498,24 J/mol
Arang Tankos (HR 200C/menit) 6654,73 J/mol
No Diameter (mm) Tinggi (mm) Berat basah(gr) Berat kering (gr)
1
2
3
4
55
55
55
55
70
70
70
70
200
210
210
200
150
160
160
150
Proses Pembuatan Briket
Hasil pembuatan briket
1. Proses pirolisis menyebabkan turunnya Moisture contain dan kadar volatile
matter yang diikuti oleh naiknya kadar abu dan fixed carbon. Antara tandan kosongmurni dengan Arang tandan kosong (HR 200C/mnt) mempunyai besar penurunanMoisture contain = 32.57%, Volatile matter = 10.63%, untuk kadar Ash naik sebesar= 41.45% dan fixed carbon naik sebesar = 55.73%
2. Nilai Kalor berbanding lurus dengan besarnya persentase fixed carbon, karena fixedcarbon merupakan pembangkit utama energi panas selama proses pembakaran
3. Pada pengujian proximate, nilai kalor, thermogravimetry didapatkan hasil terbaikterdapat pada Arang tandan kosong yang di pirolisis dengan Heating Rate200C/menit dengan nilai kalor sebesar 4326.33 cal/gr dan Energi aktivasi terkecilsebesar 6654,73 J/mol.
4. Pembuatan briket dengan menggunakan bahan Arang tandan kosong yang dipirolisis menggunakan heating rate 200C/menit mendapatkan nilai effisiensipembakaran briket pada tungku briket rata – rata sebesar 19.35 %.
KESIMPULAN
Untuk perkembangan aplikasi dan performa dari briket yang telah dibuat, maka penulismemberikan beberapa saran, sebagai berikut:1. Eksperimen lebih lanjut perlu diadakan agar sumber energi alternatif bisa
digantikan dengan biomassa.2. lingkungan agar bisa dimanfaatkan lebih baik.
SARAN
1. Bahan briket biomasa yang terdiri dari tandan kosong murni danarang tandan kosong yang telah melalui tahapan pirolisis denganukuran partikel masing-masing bahan adalah 50 mesh.
2. Uji kandungan bahan dengan Proximate dan uji karakteristikdengan metodeThermogravimetry untuk mengetahui Energi Aktivasidari masing – masing sampel.
3. Bahan pengikat (binder) adalah tepung kanji dengan komposisi10% berat briket.
4. Mesin pembriket adalah tipe piston die pressure yang digerakkansecara manual
5. Cetakan briket (die) berbentuk silinder dengan diameter dalam 55 mmdan poros penekan berdiameter 54,5 mm.
6. Briket biomassa berbentuk silinder dengan diameter 55 mm dantinggi 70 mm.
7. Lama penahanan proses pembriketan (holding time) 3 menit.8. Pembriketan dilakukan terhadap bahan yang mempunyai Nilai kalor tinggi
dan Energi aktivasi rendah9. Pembriketan dilakukan dengan tekanan 500psi dengan mesin
pencetak briket10. Aplikasi uji pembakaran briket pada tungku briket.
Batasan Masalah