60 Produksi Gas dari Padatan
Gambar 3.15. Hubungan lndYdt terhadap 1T briket biomassa jerami tanpa menggunakan bahan pengikat
Dari grafik hubungan lndYdt terhadap 1T dapat diketahui nilai energi aktivasi dan faktor pre-eksponensial untuk
masing-masing reaksi yang terjadi.
Tabel 3.5. Nilai energi aktivasi dan faktor pre-eksponensial briket biomassa jerami dengan menggunakan bahan pengikat.
Kecepatan udara ms
Energi aktivasi kJmol
Faktor pre-eksponensial s
2 11,3
37234.8 0,05
13,5 97343,4
Tabel 3.6. Nilai energi aktivasi dan faktor pre-eksponensial briket biomassa jerami tanpa menggunakan bahan pengikat.
Kecepatan udara ms
Energi aktivasi KJmol
Faktor pre-eksponensial s
2 13,3
24367,4 0,05
15,6 54230,6
1T
61 Kinetika Reaksi
Nilai dari energi aktivasi untuk proses pembakaran briket biomassa jerami dengan menggunakan bahan pengikat adalah
11,3 kJmol untuk variasi kecepatan udara 2 ms dan 13,5 kJmol untuk kecepatan udara 0,05 ms. Sedangkan untuk briket
biomassa jerami tanpa menggunakan bahan pengikat adalah 13,3 kJmol untuk kecepatan udara 2 ms dan 15,6 untuk kecepatan
udara 0,05 ms.
Nilai energi aktivasi yang diperoleh lebih kecil bila dibandingkan dengan nilai energi aktivasi batu bara yang telah
dilakukan oleh Altun E Altun, 2003; Hastanto, 2008 yaitu sebesar 39,71 kJmol dan nilai energi aktivasi sekam padi oleh Widiarso
Altun, 2003; Hastanto, 2008 yaitu sebesar 19,44 kJmol. Ini menunjukkan bahwa briket jerami padi mudah dibakar
dibandingkan dengan sekam padi maupun batu bara. Contoh Soal Bab III.
3.1. Dari data pengujian pembakaran biomassa dengan udara
diketahui bahwa massa biomassa berubah terhadap waktu sebagaimana diperlihatkan pada Tabel di bawah. Tentukan
laju reaksi dari pembakaran biomasa tersebut.
Waktu detik Massa g
10 260
9,2 360
8 480
6 600
4 720
2,9 1000
2,7 Jawab:
Laju reaksi dapat dinyatakan dengan persamaan
t m
- rata
- rata
reaksi Laju
gs
10 3
, 7
1000 10
7 ,
2 -
rata -
rata reaksi
Laju
3
x
62 Produksi Gas dari Padatan
Namun demikian jika diperhatikan lebih seksama pada grafik penurunan massa terhadap waktu terlihat bahwa laju reaksi
kemiringan untuk setiap waktu tidak sama. Oleh karena itu, dengan menggunakan regresi liniear dapat diperoleh grafik
hubungan antara massa dengan waktu. Sehingga laju reaksi rata-rata dapat dinyatakan dengan kemiringan dari
persamaan tersebut adalah 8,18x10
-3
gs.
3.2. Reaksi pembakaran, gasifikasi, ataupun pirolisis dipengaruhi oleh banyak hal diantaranya adalah temperatur, jumlah
bahan baku, diameter partikel, tekanan gas oksidan, jenis gas oksidan, katalis, dan lainnya. Dari sisi kinetika reaksi,
beberapa parameter tersebut berpengaruh pada laju reaksi. Perubahan laju reaksi dapat dilihat juga dari perubahan faktor
pre-eksponensial maupun energi aktivasi. Namun demikian, laju reaksi juga dipengaruhi oleh orde reaksi. Persoalannya
adalah pada suatu reaksi sering sekali tidak diketahui orde reaksi tersebut, sehingga harus ditentukan. Oleh karena itu
jelaskan panduan suatu dalam menentukan orde reaksi jika data yang diperoleh terbatas.
63 Kinetika Reaksi
Jawab: Mari dilihat persamaan laju reaksi untuk orde n0l, satu, dan
dua.
Orde reaksi nol
kt A
A k
dt
A d
- k
A k
reaksi Laju
Orde reaksi satu
kt o
e A
A kt
A A
kdt k
dt
1
ln ln
A A
d A
A d
- A
k A
k reaksi
Laju
Orde reaksi dua
kt A
A kt
kdt k
dt
o
1 1
A A
A d
A A
A d
- A
k reaksi
Laju
1 1
- 2
- 2
2
Dari persamaan masing-masing orde dan diambil contoh harga [A]
o
= 20 g dan k = 0,2, maka dapat dilihat dari grafik di bawah bahwa:
1. Orde yang lebih besar dicirikan dengan laju reaksi yang lebih cepat.
2. Orde reaksi nol dapat dilihat dari perubahan massa terhadap waktu yang linier dan landai.
3. Orde reaksi satu dapat dilihat dari perubahan massa terhadap waktu yang membentuk persamaan eksponensial
dan mempunyai laju perubahan massa yang lebih cepat dari orde nol.
4. Orde reaksi dua dapat dilihat dari perubahan massa terhadapwaktu
yang membentuk
persamaan mirip
eksponensial dengan laju perubahan yang sangat cepat dibagian awal reaksi.
64 Produksi Gas dari Padatan
Soal Bab III. 3.1. Jelaskan pengertian dan manfaat dari kinetika reaksi.
3.2. Jelaskan pengertian energi aktivasi dan faktor pre-
eksponensial. 3.3. Pada reaksi aA + bB cC + dD
Laju reaksi dapat dinyatakan dengan = k [A]
x
[B]
y
, dimana x dan y adalah orde reaksi dari A dan B. Jika dari hasil
eksperimen diperoleh data bahwa:
[A] mol dm
- 3
[B] mol dm
- 3
Laju awal mol dm
- 3
s
- 1
, ,
, x
-
, ,
, x
-
, ,
. x
-
Maka tentukan orde reaksi dari A dan B. 3.4. Jelaskan bagaimana prosedur mendapatkan persamaan laju
reaksi Arrhenius dengan metode termogravimetri. 3.5. Dari suatu pengukuran mengenai pirolisis sekam padi 10 g
diperoleh data sebagai berikut:
Waktu menit
Massa g Temperatur C
1 10
30 2
9,8 70
3 9,6
90 4
9,2 100
5 9
105 6
8 115
7 7
170 8
6 210
9 5
300 10
4 400
11 3
500 12
2,9 750
12 2,8
700 14
2,7 650
15 2,7
550
65 Kinetika Reaksi
Waktu menit
Massa g Temperatur C
16 2,7
450 Hitunglah energi aktivasi dan faktor preeksponensial dari
gasifikasi sekam padi jika kadar air awal sekam padi adalah 10 wb.
66 Produksi Gas dari Padatan
67 Konsep Dasar Pirolisis dan Gasifikasi
BAB V KONSEP DASAR PROLSS
DAN GASFKAS
4.1. Pirolisis
Pirolisis adalah proses dekomposisi termal yang kompleks dari material organik menjadi molekul yang lebih sederhana tanpa
menggunakan udara. Produk utama dari pirolisis yang dapat dihasilkan adalah arang char, minyak, dan gas. Arang yang
terbentuk dapat digunakan untuk bahan bakar ataupun digunakan sebagai karbon aktif. Sedangkan bio-oil yang dihasilkan
dapat digunakan sebagai bahan pelumas atau bahan bakar alternatif. Sedangkan gas yang terbentuk dapat dibakar secara
langsung Sampath and Babu, 2005. Pada proses pirolisis, dekomposisi dari material organik tersebut dilakukan tanpa udara
sama sekali atau kandungan oksigennya nol. Proses dekomposisi pada pirolisis ini sering disebut juga dengan devolatilisasi.
Pada saat pirolisis material organik dapat dihasilkan zat baru seperti gas dan arang. Gas dari pirolisis dapat dibedakan menjadi
gas yang tidak dapat dikondensasi CO, CO
2
, CH
4
, dll dan gas yang dapat dikondensasi tar Gambar 4.1. Minyak akan terjadi
pada proses kondensasi dari gas yang terbentuk. Minyak yang terjadi ini juga disebut bio-oil.
Gambar 4.1. Hasil pirolisis bahan organik
68 Produksi Gas dari Padatan
Berdasarkan laju pemanasan, pirolisis dibagi menjadi dua macam yaitu pirolisis cepat dan pirolisis lambat. Terdapat
beberapa pihak yang menggolongkan pirolisis menjadi tiga macam, yaitu pirolisis kilas flash, pirolisis cepat, dan pirolisis
lambat. Biasanya peneliti menganggap bahwa pirolisis kilas adalah sama dengan pirolisis cepat. Untuk pirolisis cepat biasanya
menggunakan
laju pemanasan
dari 100
o
Cmin sampai
1.000
o
Cmin, sedangkan untuk pirolisis lambat laju pemanasannya kurang dari 100
o
Cmin Sampath and Babu, 2005. Pada pirolisis lambat, mekanisme reaksi dan produk yang terbentuk sangatlah
berbeda sekali jika dibandingkan dengan pirolisis cepat. Banyak produk yang lebih bermanfaat dihasilkan dari pirolisis lambat.
Produk utama dari pirolisis lambat ini adalah arang dan bio-oil. Efek dari laju pemanasan akan sangat mempengaruhi jumlah gas,
arang, dan bio-oil yang dihasilkan Sampath,S.S., Babu,B.B., 2005. Untuk lebih jelasnya produk yang dihasilkan dari variasi laju
pemanasan bisa dilihat pada Tabel 4.1.
Tabel 4.1. Jumlah produk dari reaksi pirolisis dan gasifikasi Evans, 2004
Kondisi Produk
Cair Char
Gas
Pirolisis cepat laju pemanasan 100Kmin
75 12
13 Pirolisis lambat laju pemanasan
100Kmin 30
35 35
Gasifikasi 5
10 85
Selain dari laju pemanasan, pirolisis juga dibagi berdasar tekanan kerjanya menjadi dua macam, yaitu; pirolisis pada
tekanan atmosfer dan pirolisis vakum. Pirolisis pada tekanan atmosfer memerlukan alat yang lebih sederhana dengan hasil
produknya tidak jauh berbeda dengan pirolisis vakum. Untuk pirolisis vakum karena tekanan kerjanya dibawah tekanan
atmosfer maka pada alatnya harus ada pompa vakum yang menghisapnya sehingga terbentuk ruangan yang vakum. Pirolisis
vakum merupakan teknologi baru yang mempunyai kemampuan yang lebih baik untuk variasi biomassa ataupun bahan lain, seperti
sampah karet dan plastik, serta sampah sisa produksi yang kering Rabe, 2005.
69 Konsep Dasar Pirolisis dan Gasifikasi
4.2. Parameter Penting pada Proses Pirolisis
Banyak peneliti telah menemukan beberapa paramater penting pada proses pirolisis yang dirangkum seperti di bawah ini.
a. Bentuk partikel Bentuk partikel mempunyai pengaruh kecil pada produk
pirolisis. Honglu, dkk Hong, Scott et al., 2004 menemukan bahwa pada partikel menyerupai bulat dapat dihasilkan volatil
yang sedikit lebih rendah dibandingkan partikel yang menyerupai silinder dan serpih. Alasannya adalah bahwa tar memerlukan
panjang laluan yang lebih besar untuk keluar dari partikel bulat dibandingkan partikel berbentuk lain. Partikel yang mirip bulat
juga mempunyai laju pemanasan yang lebih rendah dan laju perpindahan panas dan massa yang lebih rendah karena
ketebalannya lebih besar dibandingkan ketebalan partikel berbentuk silinder maupun pipih. Semenjak partikel bulat
mempunyai perbandingan luas terhadap volume yang lebih kecil dibandingkan partikel silinder dan serpih, sehingga waktu
konversi umumnya lebih besar pada partikel berbentuk bulat Hong, Scott et al., 2004; Janse, Westerhout et al., 2000.
b. Ukuran partikel Ukuran partikel mempunyai pengaruh pada waktu konversi
dan produk
pirolisis. Peningkatan
diameter ekuivalen
menyebabkan waktu konversi Hong, Scott et al., 2004; Suyitno, Lettner et al., 2005. Untuk ukuran partikel yang kecil khususnya
0,2 mm, laju kinetika reaksi pirolisis menjadi dominan dan waktu konversi hampir tidak berubah Janse, Westerhout et al.,
2000. Untuk partikel yang kecil, pengaruh bentuk partikel dan pengkerutan partikel tidak penting Di Blasi, 2002. Secara umum,
pemecahan tar di dalam partikel kayu yang kecil dapat diabaikan Janse, Westerhout et al., 2000.
Pada pirolisis cepat dengan bahan kayu yang berukuran 0,5 –
0,7 mm, peningkatan laju pemanasan menyebabkan hasil arang yang rendah dan hasil minyak yang tinggi Zanzi, 2001.
Peningkatan diameter partikel dari 0,5-0,7 menjadi 0,7-1,0 mm untuk kayu berjenis birch pada 800
o
C meningkatkan hasil padatan dari 4,6 menjadi 5,5 Zanzi, Sjostrom et al., 1996. Untuk
bagase, hasil arang meningkat ketika partikel yang lebih besar dipirolisis Zanzi, Sjostrom et al., 1995. Pada partikel yang lebih
kecil, gas yang dihasilkan akan meninggalkan partikel yang lebih
70 Produksi Gas dari Padatan
cepat dibandingkan pelepasan gas pada partikel yang lebih besar. Pada partikel yang lebih kecil, waktu tinggal gas hasil dalam
reaktor meningkat dan memungkinkan terjadinya pemecahan tar Zanzi, 2001; Zanzi, Sjostrom et al., 1995.
Pada partikel yang besar partikel silinder dengan jari-jari 25 mm dan panjang 300 mm pada temperatur 700
o
C, pelibatan model pengkerutan meningkatkan waktu pirolisis secara
subtansial dari 920 detik menjadi 860 detik Larfeldt, Leckner et al., 2000. Ketika partikel berukuran besar, pirolisis menjadi
terkontrol secara perpindahan panas dan pengaruh kinetik
4
menjadi kecil Saastamoinen and Richard, 1996. c. Temperatur dan laju pemanasan
Temperatur adalah salah satu paramater yang sangat penting pada
proses pirolisis.
Menurut Karaosmonaglu,
dkk Karaosmonaglu, Tetik et al., 1999 temperatur adalah faktor
yang sangat penting pada hasil pirolisis dan variasi laju pemanasan tidak secara langsung mempunyai pengaruh yang
khusus.
De Resende, F.L.P. De Resende and Sanchez, 2004 melakukan eksperimen pirolisis lambat dengan analisis
termogravimetri dengan laju pemanasan 5, 10, 15, dan 20 Kmenit. De Resende dan Sanchez menemukan fakta bahwa laju
pemanasan bukanlah faktor yang memainkan peranan penting pada pirolisis lambat. Dalam pirolisis lambat dari kayu cemara
pine, pengaruh laju pemanasan pada jangkauan laju pemanasan dari 5 sampai 80 Kmenit adalah kecil Williams and Besler, 1996.
Laju pemanasan yang lebih tinggi menghasilkan arang yang sedikit. Peningkatan kembali laju pemanasan karena tambahan
peningkatan temperatur tidak mempengaruhi hasil dari arang Zanzi, Sjostrom et al., 1996.
Laju pemanasan pada pirolisis cepat mempunyai pengaruh utama. Peningkatan laju pemanasan yang cepat meningkatkan
hasil dari volatil dan menurunkan hasil arang. Alasannya adalah bahwa pengaruh laju pemanasan mendorong depolimerisasi
4
Pada partikel yang berdimensi kecil dengan bilangan Bi 0,1 maka umumnya partikel tersebut dapat dianggap mempunyai temperatur yang seragam.
Pada kasus ini, pirolisis dapat disebut dipengaruhi secara kinetik. Sedangkan pada bilangan Bi yang besar terjadi perpindahan panas konduksi dari dinding
luar partikel menuju ke dalam. Sehingga pirolisis disebut dikontrol secara perpindahan panas.
71 Konsep Dasar Pirolisis dan Gasifikasi
