Reaksi Gasifikasi NO. 1 Buku Produksi gas dari padatan

111 Konsep Dasar Pirolisis dan Gasifikasi Pada mekanisme reaksi dua tahap, awalnya CO 2 bereaksi dengan tempat karbon bebas C f dan menghasilkan karbon-oksigen kompleks CO dan CO. Kemudian pada tahap kedua, karbon- oksigen kompleks CO terurai menjadi CO dan bentuk C f yang baru. Bentuk C f yang baru ini dapat pandang sebagai karbon tidak jenuh tanpa hidrogen pada sudut matrik karbonnya Moulijn and Kapteijn, 1995. Reaksi mundur pada tahap pertama dapat dilihat sebagai pengaruh hambatan CO yaitu menurunkan konsentrasi CO. Mekanisme ini digambarkan sebagai berikut. Gambar 4.15. Mekanisme reaksi arang-CO 2 secara dua tahap Moulijn and Kapteijn, 1995. Menurut Moulijn, J.A. dan Kapteijn, F., 1995 Moulijn and Kapteijn, 1995, terdapat setidaknya dua tempat dalam gasifikasi arang-CO 2 , yaitu CO dan CCO. CCO menyatakan penyisipan CO dalam matriks karbon selama gasifikasi dan disebut sebagai carbonyl Chan, Yang et al., 1993. CCO lebih aktif dibandingkan CO. Dengan penemuan ini, mereka mengusulkan mekanisme reaksi arang-CO 2 empat tahap, yaitu:   O C CO C CO f    2 4.11     CO C CO O C CO 2 2    4.12   CO C CO C f   4.13   CO C O C f   4.14 112 Produksi Gas dari Padatan Laju reaksi dua tahap pada gasifikasi arang-CO 2 dapat dihitung dengan pernyataan laju reaksi dari Langmuir Hinshelwood sebagai berikut: 4.15 Sementara itu, pernyataan yang sederhana untuk laju reaksi arang-CO 2 adalah sebagai berikut: 4.16 Nilai n ditemukan dalam literatur sangat bervariasi dari 0,27 sampai 1,2 Barrio and Hustad, 2000. Faktor pre-eksponensial A dan energi aktivasi E untuk reaksi arang-CO 2 ditemukan dalam literatur dan dapat ditabelkan pada Tabel 4.16. Tabel 4.16. Konstanta kinetika reaksi arang- CO 2 . No A E kJmol Kondisi Literatur 1 5,25 x 10 2 TT 247 Mann, Knutson et al., 2004 2 2 x 10 7 mh 360 Gasifikasi batu bara Biba, Macak et al., 1978 3 3,1 x 10 6 s -1 bar -0,38 215 Kayu birch. Ukuran arang 32-45 m. T = 1023-1223 K. Barrio and Hustad, 2000 4 2,3 x 10 3 s -1 bar -0,38 140 n = 0,38, aliran gas 1,2 ms, T= 973-1173 K Kirilowitsch, 2006 5 2,6 x 10 2 s -1 bar -0,38 122 n = 0,38, aliran gas 0,5 ms, T= 973-1173 K Kirilowitsch, 2006 6 2,4 x 10 3 s -1 bar -0,38 144 n = 0,38, aliran gas 0,2 ms, T= 1073-1173 K Kirilowitsch, 2006 TT: tidak tercantum parameter utama dalam gasifikasi arang-CO 2 adalah temperatur gas. Laju gasifikasi meningkat dengan naiknya temperatur gas Ye, Agnew et al., 1998 dan tidak bergantung pada ukuran partikel Ye, Agnew et al., 1998. Untuk arang batu CO b CO f CO f c p k k p k k p k r 2 1 2 1 1 2 2 1    n CO c kp r 2  113 Konsep Dasar Pirolisis dan Gasifikasi bara, pada temperatur lebih tinggi dari 630 o C, reaktivitas CO 2 lebih rendah dibandingkan reaktivitas H 2 O. Perbedaan tersebut dapat lebih terasa pada saat temperatur gas ditingkatkan lagi. Pada temperatur 630 o C, reaktivitas CO 2 dan H 2 O terlihat hampir sama. Untuk biomassa kayu birch, ukuran dari profil reaktivitas dipengaruhi oleh temperatur reaksi dan tidak oleh perbandingan CO 2 CO Barrio and Hustad, 2000. Konstanta reaksi pada reaksi arang-CO 2 dittampilkan pada Tabel 4.16 adalah sederhana tetapi sudah mampu menyediakan informasi yang cukup. Mekanisme reaksi sederhana lebih disukai dalam simulasi pemodelan CFD.

4.7.2. Reaksi Arang-H

2 O Proses reaksi gasifikasi uap air dapat dinyatakan dengan: C + H 2 O  CO + H 2 = 131.4 kJmol 4.17 Nyatanya, mekanisme proses gasifikasi uap air lebih kompleks dan pernyataan di atas. Pada mekanisme dua tahap untuk gasifikasi arang-uap air diusulkan oleh Moulijn, J.A. and Kapteijn, F., 1995 Moulijn and Kapteijn, 1995. Dalam tahap pertama, reaksi H 2 O dengan tempat karbon bebas C f dan menghasilkan karbon-oksigen kompleks CO dan H 2 . Kemudian dalam tahap kedua, karbon-oksigen kompleks CO didekomposisi menjadi CO dan tempat karbon bebas yang baru. Reaksi tahap kedua ini serupa dengan tahap kedua dalam mekanisme reaksi arang-CO 2 . Reaksi mundur dari tahap pertama dapat dilihat sebagai pengaruh penghambatan dari H 2 yang menurunkan kondentrasi CO. Mekanisme ini diperlihatkan pada Gambar 4.16. Gambar 4.16. Two steps of char-steam gasification Moulijn and Kapteijn, 1995. o K H 298  114 Produksi Gas dari Padatan 2 1 1 2 H O C k k O H C b f f     4.18   f k C CO O C    2 4.19 Ide mekanisme kompleks juga telah diusulkan dan ditemukan dalam review yang dilakukan oleh barrio, dkk Barrio, Gobel et al., 2000 dan dirumuskan sebagai berikut: 4.20 4.21 4.22 4.23 Dalam mekanisme empat tahap, pengaruh penghambat H 2 dimasukkan dalam perhitungan dengan menurunkan CO, menghasilkan CH 2 dan menghasilkan CH. H 2 mempunyai pengaruh penghambat yang kuat sementara CO tidak mempunyai pengaruh penghambat pada laju gasifikasi arang-uap air Pilcher, Walker JR et al., 1955. Pengaruh racun dari H 2 juga dinyatakan oleh Mann, dkk Mann, Knutson et al., 2004 dan Lewis, W.K., dkk Lewis, Gilliland et al., 1953. Laju reaksi gasifikasi arang-uap air dapat dihitung dengan menggunakan persamaan di bawah ini: 4.24 dimana , model pertukaran oksigen 4.25 , model hambatan hidrogen tradisional 4.26 , model hambatan hidrogen versi kedua 4.27 Persamaan 4.24 dapat disederhanakan menjadi:   2 1 1 2 H O C k k O H C b f f       f k C CO O C    2   2 3 3 2 H C k k H C b f f      H C k k H C b f f 4 4 2 2 1      2 2 2 2 1 1 1 H O H f O H f c p f p k k p k r      2 2 2 1 H b H p k k p f    2 2 3 3 H b f H p k k p f    5 . 2 2 4 4 H b f H p k k p f 