Analisa Termal pada Rancang Bangun Reaktor Pirolisis untuk Memproduksi Bahan Bakar Minyak dari Limbah Plastik
ANALISA TERMAL PADA RANCANG BANGUN REAKTOR
PIROLISIS UNTUK MEMPRODUKSI BAHAN BAKAR
MINYAK DARI LIMBAH PLASTIK
FEBRI ADITYA PRATAMA ARISTA GABE
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Analisa Termal pada
Rancang Bangun Reaktor Pirolisis untuk Memproduksi Bahan Bakar Minyak dari
Limbah Plastik adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing
dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun.
Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun
tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan
dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Januari 2015
Febri Aditya Pratama Arista Gabe
NIM F14100054
ABSTRAK
FEBRI ADITYA PRATAMA ARISTA GABE. Analisa Termal pada Rancang
Bangun Reaktor Pirolisis untuk Memproduksi Bahan Bakar Minyak dari Limbah
Plastik. Dibimbing oleh EDY HARTULISTIYOSO dan MUHAMAD
YULIANTO.
Peningkatan jumlah limbah plastik menimbulkan permasalahan besar bagi
lingkungan. Pirolisis plastik menjadi potensial yang dapat digunakan untuk
mengkonversi limbah plastik menjadi bahan kimia yang berguna dan bahan bakar
minyak. Sebagian besar penelitian pirolisis plastik dilakukan pada skala lab, dan
proses pindah panas sering diabaikan. Tujuan dari penelitian ini adalah membuat
model simulasi sebaran suhu pada reaktor pirolisis plastik menggunakan
Computational Fluid Dynamics (CFD) dan melakukan analisa sebaran suhu yang
terjadi selama proses pirolisis berlangsung. Reaktor dirancang sebagai experimental
set-up. Pengujian dilakukan dengan 5 tingkatan suhu berbeda pada 3 jam pengujian
kerja. Hasil pengujian, jumlah minyak terbanyak yang dihasilkan yaitu 21.32 g pada
suhu pirolisis 450 . Pada pengujian sebaran suhu memperlihatkan bahwa pola
sebaran suhu yang terjadi hampir sama pada setiap tingkatan suhu pirolisis dan
terjadi penurunan suhu secara vertikal ke bagian atas reaktor. Hasil validasi
memperlihatkan bahwa hasil simulasi sebaran suhu menggunakan CFD mendekati
nilai suhu pengukuran di dalam reaktor pada saat proses pirolisis plastik.
Kata kunci: Bahan bakar minyak, limbah plastik, reaktor pirolisis, sebaran suhu,
simulasi CFD.
ABSTRACT
FEBRI ADITYA PRATAMA ARISTA GABE. Thermal Analysis on Pyrolysis
Reactor Design for Producing Fuel from Plastic Wastes. Supervised by EDY
HARTULISTIYOSO and MUHAMAD YULIANTO.
The increasing amounts of plastic wastes generate enormous environmental
problems. The pyrolysis can potentially be used to convert plastics into valuable
chemicals and fuels. Almost all of the pyrolysis experiments conducted in laboratory
condition, and the heat transfer is not investigated. The objectives of this study were
to design temperature profile model using Computational Fluid Dynamics (CFD) and
analyze its temperature distribution. Reactor was designed as an experimental set-up.
For performance test, temperature was maintained in 5 difference level with 3 hours
of production process. The result showed that the highest fuel yield produced from
450 pyrolysis temperature with 21.32 g of fuel yield. Each level of temperature
degrees have almost similar temperature distribution pattern with temperature
decreased vertically to the top of reactor. The result showed that validation using
CFD simulation was approaching the value of temperature measurement on reactor.
Keywords: Fuel, plastic waste, pyrolysis reactor, temperature distribution, CFD
simulation.
ANALISA TERMAL PADA RANCANG BANGUN REAKTOR
PIROLISIS UNTUK MEMPRODUKSI BAHAN BAKAR
MINYAK DARI LIMBAH PLASTIK
FEBRI ADITYA PRATAMA ARISTA GABE
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Judul Skripsi : Analisa Termal pada Rancang Bangun Reaktor Pirolisis untuk
Memproduksi Bahan Bakar Minyak dari Limbah Plastik
Nama
: Febri Aditya Pratama Arista Gabe
NIM
: F14100054
Disetujui oleh
Dr Ir Edy Hartulistiyoso MSc
Pembimbing I
Dr Muhamad Yulianto ST MT
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Ir Desrial, MEng
Ketua Departemen
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala
karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih
dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2014 hingga Juli 2014
ini ialah konversi energi, dengan judul Analisa Termal pada Rancang Bangun
Reaktor Pirolisi untuk Menghasilkan Bahan Bakar Minyak dari Limbah Plastik.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Edy Hartulistiyoso selaku
pembimbing I dan Bapak Dr Muhamad Yulianto selaku pembimbing II yang telah
memberikan kontribusi sangat besar yaitu bimbingan, arahan, dan motivasi
kepada penulis. Terimakasih juga kepada Dr Lenny Saulia sebagai dosen penguji
skripsi, semoga ibu diberi kesehatan selalu.
Ungkapan terimakasih juga disampaikan kepada ayah (Bustamin Sigiro),
ibu (Ratna Linda Sagala) dan adik (Andrew Prihatmoko) serta seluruh keluarga
atas segala doa, dukungan dan kasih sayangnya. Terimakasih juga penulis
ucapkan kepada CEO PT Panasindo Jaya Mandiri karena telah meminjamkan
pemanas serta trafo sehingga penelitian ini berjalan dengan lancar, para teknisi
Departemen TMB (Pak Harto, Pak Agus, Mas Firman dan Mas Darma).
Terimakasih teramat banyak untuk teman teman Antares TMB 47 (Dhiko, Haga,
Ryan, Herwin, Candra Viki, Deny, Aulia Muthmainnah, Eris, Amri, Fachri,
Rosma, Andyka Setio, Fika Rahimah, Rizki Agung, Reno, Fajar Ulum, Oldga,
Elgy, Adhika Rozi, Herdimas, Aswin, Dian, Imam, Weny, Dika, Dhany, Putri,
Raga, Budi Heriansyah, Ruli, Rifqi, Eki, Fajardo, Dima, Reno, Rizky Aidil,
Danang, Asiyah, Sigit, Marcha) untuk bantuan dan motivasi yang telah banyak
membantu selama penelitian dan telah menjadi keluarga dan rekan seperjuangan
penulis hingga dapat menyelesaikan skripsi ini, para teman Universitas Brawijaya
(Vita, Fudin, Yoga, Sulton Anisa dan Ria) terimakasih motivasinya, dan kepada
Lenggogeni Tanjung untuk bantuan semangat dan motivasinya yang telah banyak
membantu selama penelitian.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Januari 2015
Febri Aditya Pratama Arista Gabe
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
2
Tujuan Penelitian
3
TINJAUAN PUSTAKA
3
Plastik
3
Pirolisis
4
Sistem Pindah Panas
6
Kondensasi dan Kondenser
9
METODOLOGI
11
Waktu dan Tempat Pelaksanaan
11
Alat dan Bahan
12
Tahapan Penelitian
14
HASIL DAN PEMBAHASAN
31
Hasil Perancangan Reaktor
31
Hasil Pirolisis Plastik
36
Sebaran Suhu Pada Reaktor
39
Simulasi Kontur Suhu di dalam Reaktor
51
Validasi Simulasi CFD
54
SIMPULAN DAN SARAN
57
Simpulan
57
Saran
58
DAFTAR PUSTAKA
58
LAMPIRAN
62
DAFTAR TABEL
Nilai kalor dari plastik berbagai jenis plastik
Kondisi batas pada simulasi sebaran suhu dengan menggunakan
CFD
Komponen-komponen reaktor pirolisis plastik dan fungsinya
Perbandingan komponen pada perancangan struktural reaktor dengan
hasil pabrikasi reaktor
Pengaruh suhu pemanasan terhadap hasil pirolisis
Sebaran suhu terhadap posisi termokopel pada tingkat variasi
suhu pemanasan dengan kondisi steady state
Suhu pengukuran pada outlet reaktor dan outlet kondenser pada berbagai
tingkat suhu pemanasan dengan kondisi steady state
Sebaran suhu hasil simulasi CFD pada tingkat suhu dengan pemanasan
kondisi steady state
1
2
3
4
5
6
7
8
4
30
32
35
36
46
50
53
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Proses pirolis plastik untuk menghasilkan bahan bakar minyak
(Zhang 2007)
(a) Cross flow heat exchanger (b) Double pipe heat exchanger
(Holman 2010)
Profil suhu pada (a) Aliran berlawan pada alat penukar panas pipa
ganda. (b) Aliran parallel (Holman 2010)
Diagram blok pada perangkat lunak LabVIEW
Front panel pada perangkat lunak LabVIEW
Diagram alir tahapan penelitian
Diagram alir perancangan reaktor pirolisis plastik
Skema rancangan alat reaktor pirolisis plastik
Jarak antar termokopel terhadap tinggi reaktor
Timbangan digital
Titik-titik pengukuran menggunakan termokopel
(a) Data akuisisi National Instrument (b) Termokopel
(a) Trafo dan thermo control (b) Pemanas (c) Ceramic silicione
insulation
Skema tahapan simulasi
Gambar geometri reaktor menggunakan aplikasi Solidworks
Premium 12
Kondisi batas pada perancangan reaktor dengan menggunakan
aplikasi Gambit 2.4.6
Hasil pabrikasi reaktor
Plat unloading hasil pabrikasi
Tongkat pengait plat unloading
Diagram elektrik pada trafo (Sumber: PT Panasindo Jaya Mandiri)
Minyak yang dihasilkan pada proses pirolisis
6
10
11
13
13
14
16
17
18
23
24
25
25
27
28
29
33
34
34
35
37
DAFTAR GAMBAR (lanjutan)
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
Gas yang tidak terkondensasi pada pirolisis plastik
Reaksi kedua yang mengkonversi produk minyak (cair) menjadi solid
dan gas (FakhrHoseini and Dastanian 2013)
(a) Residu yang dihasilkan pada suhu pemanasan 250 (b) Residu
yang dihasilkan pada suhu pemanasan 450
(a) Residu berbentuk serbuk pada dinding reaktor bagian atas (b) Residu
berbentuk bubuk menyumbat lubang keluaran kondenser
Sebaran suhu di dalam reaktor pada awal pemanasan hingga suhu 250
Sebaran suhu di dalam reaktor pada awal pemanasan hingga suhu 300
Sebaran suhu di dalam reaktor pada awal pemanasan hingga suhu 350
Sebaran suhu di dalam reaktor pada awal pemanasan hingga suhu 400
Sebaran suhu di dalam reaktor pada awal pemanasan hingga suhu 450
Sebaran suhu pada suhu pemanasan 250
Sebaran suhu pada suhu pemanasan 300
Sebaran suhu pada suhu pemanasan 350
Sebaran suhu pada suhu pemanasan 400
Sebaran suhu pada suhu pemanasan 450
Sebaran suhu pada setiap tingkat variasi suhu pemanasan dengan kondisi
steady state
Suhu pengukuran pada outlet reaktor dan outlet kondenser pada suhu
pemanasan 250
Suhu pengukuran pada outlet reaktor dan outlet kondenser pada suhu
pemanasan 300
Suhu pengukuran pada outlet reaktor dan outlet kondenser pada suhu
pemanasan 350
Suhu pengukuran pada outlet reaktor dan outlet kondenser pada suhu
pemanasan 400
Suhu pengukuran pada outlet reaktor dan outlet kondenser pada suhu
pemanasan 450
Kontur sebaran suhu simulasi CFD pada tingkat pemanasan 250
Kontur sebaran suhu simulasi CFD pada tingkat pemanasan 300
Kontur sebaran suhu simulasi CFD pada tingkat pemanasan 350
Kontur sebaran suhu simulasi CFD pada tingkat pemanasan 400
Kontur sebaran suhu simulasi CFD pada tingkat pemanasan 450
Grafik validasi sebaran suhu hasil simulasi terhadap hasil
pengukuran pada suhu pemanasan 250
Grafik validasi sebaran suhu hasil simulasi terhadap hasil
pengukuran pada suhu pemanasan 300
Grafik validasi sebaran suhu hasil simulasi terhadap hasil
pengukuran pada suhu pemanasan 350
Grafik validasi sebaran suhu hasil simulasi terhadap hasil
pengukuran pada suhu pemanasan 400
Grafik validasi sebaran suhu hasil simulasi terhadap hasil
pengukuran pada suhu pemanasan 450
37
37
38
39
39
40
40
41
41
43
44
44
45
45
47
48
48
49
49
50
51
51
52
52
52
55
55
56
56
57
DAFTAR GAMBAR (lanjutan)
52
53
54
55
56
Perbandingan sebaran suhu pengujian dan simulasi CFD terhadap
ketinggian reaktor pada suhu pemanasan 250
Perbandingan sebaran suhu pengujian dan simulasi CFD terhadap
ketinggian reaktor pada suhu pemanasan 300
Perbandingan sebaran suhu pengujian dan simulasi CFD terhadap
ketinggian reaktor pada suhu pemanasan 350
Perbandingan sebaran suhu pengujian dan simulasi CFD terhadap
ketinggian reaktor pada suhu pemanasan 400
Perbandingan sebaran suhu pengujian dan simulasi CFD terhadap
ketinggian reaktor pada suhu pemanasan 450
67
67
68
68
69
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
Gambar teknik keseluruhan sistem pada reaktor
Gambar teknik reaktor
Gambar teknik tutup reaktor
Gambar teknik kondenser
Laju kenaikan suhu pada awal pemanasan reaktor
Perbandingan sebaran suhu antara pengujian dan simulasi CFD terhadap
ketinggian reaktor
62
63
64
65
66
67
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Plastik telah menjadi bagian tak terpisahkan dari dunia saat ini karena
sifatnya yang ringan, memiliki daya tahan, ditambah dengan tingkat produksi
yang cepat dan fleksibilitas dalam desain (Mohapatra and Singh 2008).
Permintaan plastik terus meningkat karena aplikasi plastik yang beragam dan
dapat digunakan pada sektor rumah tangga maupun industri (Patni et al. 2013).
Produksi plastik dunia terus meningkat dari 80 juta ton pada tahun 1990 menjadi
260 juta ton pada tahun 2007 (Kpere-Daibo 2009) dan diperkirakan akan
mengalami kenaikan sebesar 5% setiap tahun (Al-Salem et al. 2010). Peningkatan
jumlah limbah plastik tersebut menimbulkan permasalahan besar bagi lingkungan
(Miskolczi and Nagy 2012). Yoshioka et al. (2004) menjelaskan, plastik yang
paling sering digunakan adalah polyethylene (PE), polyethylene terephthalate
(PET), polypropylene (PP) dan polyvinyl chloride (PVC).
Saat ini ada 3 cara untuk memanfaatkan limbah plastik yaitu; landfilling,
insinerasi dengan atau tanpa energy recovery dan daur ulang (recycling) (Sarker et
al. 2012). Landfilling dan insinerasi tidak dapat menjadi solusi dari permasalahan
limbah plastik dikarenakan landfilling membutuhkan area yang sangat luas dan
sangat mahal, dan inisinerasi menimbulkan emisi yang berbahaya seperti nitrogen
oksida, sulfur dioksida, karbon dioksida dan banyak lainnya (Sarker et al. 2012).
Proses pirolisis plastik menjadi cara yang paling potensial yang dapat digunakan
untuk mengkonversi limbah plastik menjadi bahan kimia yang berguna dan bahan
bakar minyak (Arabiourrutia et al. 2012). Pirolisis merupakan dekomposisi dari
material tanpa adanya oksigen atau sedikit oksigen (Brems et al. 2012). Pada
penelitian yang dilakukan Siddiqui dan Redwhi (2009), pirolisis dapat mereduksi
sampah plastik campuran hingga 90%. Pirolisis plastik menghasilkan tiga jenis
produk yaitu, produk cair (minyak), gas dan residu padat (Bajus and Hájeková
2010).
Telah banyak penelitian yang melaporkan proses pirolisis plastik dan
menjelaskan mengenai reaksi dekomposisi yang terjadi di dalamnya, namun pada
dasarnya banyak penelitian tersebut yang hanya difokuskan pada proses pirolisis
(degradasi) dari plastik/polimer saja (Ademiluyi and Adebayo 2007; Ademiluyi
and Akpan 2007; Sumarni dan Purwanti 2008; Encinar and González 2008;
Mohapatra and Singh 2008; Bajus and Hájeková 2010; Sarker et al. 2011;
Ramdhan dan Ali 2012; Sarker et al. 2012a; Sarker et al. 2012b). Tidak hanya itu
sebagian besar penelitian tersebut dilakukan pada skala lab dan hanya sedikit
informasi yang tersedia mengenai proses pindah panas di dalamnya. Begitu
banyak parameter yang sangat mempengaruhi jumlah dan kualitas produk hasil
pirolisis plastik; suhu, waktu pirolisis, pengaruh katalis dan pindah panas. Pindah
panas seringkali diabaikan pada banyak percobaan mengenai pirolisis plastik yang
dilakukan pada skala lab, padahal pindah panas sangat mempengaruhi proses
pirolisis plastik dan pada skala besar (industri) proses pindah panas perlu
dipertimbangkan untuk proses optimasi produk (Csukás et al. 2012).
Pindah panas sangat dibutuhkan untuk melakukan pemecahan termal
(thermal cracking) dan merupakan parameter kunci pada proses pirolisis. Salah
2
satu yang mempengaruhi pindah panas adalah jenis reaktor yang digunakan.
Reaktor merupakan salah satu elemen penting pada teknologi pirolisis plastik,
karena panas dalam jumlah yang besar perlu dipindahkan (pindah panas) melalui
dinding reaktor untuk memastikan terjadinya proses pirolisis plastik (Csukás et al.
2012). Reaktor digunakan untuk menentukan kualitas dari pindah panas, waktu
proses dari fase gas dan fase cair dan keluaran dari produk utama (Panda et al.
2010). Oleh sebab itu, mengetahui proses pindah panas yang terjadi di dalam
reaktor sangat dibutuhkan untuk mendesain sebuah reaktor, optimasi dan prosedur
scale-up (Csukás et al. 2012). Karakteristik dan proses pindah panas di dalam
reaktor dapat diperoleh dengan melakukan eksperimen. Eksperimen sangat
diperlukan dikarenakan pindah panas tidak diamati pada sebagian besar percobaan
pada skala lab (Csukás et al. 2012), sehingga informasi mengenai pindah panas
tersebut sangat sedikit. Eksperimen dilakukan sesuai dengan kondisi pada
penelitian pirolisis plastik yang telah dilakukan pada penelitan sebelumnya
sehingga diperoleh data eksperimen. Data sebaran suhu dibutuhkan terkait dengan
produk yang dihasilkan dari proses pirolisis. Data ekperimen yang diperoleh
digunakan untuk membuat model simulasi dari reaktor pirolisis plastik. Model
simulasi inilah yang nantinya dapat digunakan sebagai dasar untuk melakukan
perancangan reaktor pirolisis plastik pada skala besar.
Pada penelitian ini dilakukan pemodelan sebaran suhu di dalam reaktor
selama proses pirolisis berlangsung dengan menggunakan simulasi Computational
Fluid Dyanamics (CFD). Reaktor pirolisis plastik yang dilengkapi dengan
kondenser dirancang dan dibuat sebagai experimental set-up untuk mendapatkan
data eksperimen dari percobaan menggunakan reaktor tersebut. Data berupa
sebaran suhu di dalam reaktor digunakan untuk mengetahui kontur sebaran suhu.
Hasil pemodelan simulasi sebaran suhu inilah yang dapat digunakan sebagai dasar
perancangan reaktor pirolisis plastik pada penelitian selanjutnya.
Perumusan Masalah
Peningkatan jumlah plastik yang begitu besar menyebabkan permasalahan
lingkungan. Ada tiga cara pengendalian plastik yang dijelaskan oleh Sarker et al.
(2012) dan pirolisis plastik menjadi salah satu alternatif untuk mereduksi jumlah
limbah sampah plastik. Proses pirolisis plastik dapat menghasilkan tiga jenis
produk yaitu padat, gas dan cair yang berupa bahan bakar minyak. Begitu banyak
penelitian yang melaporkan proses pirolisis plastik, namun pada dasarnya
penelitian tersebut hanya difokuskan pada proses pirolisis (degradasi)
plastik/polimer saja. Penelitian yang dilakukan tersebut sebagian besar dilakukan
pada skala lab dan analisa pindah panas seringkali diabaikan pada banyak
percobaan mengenai pirolisis plastik yang dilakukan pada skala lab, padahal
pindah panas sangat mempengaruhi proses pirolisis plastik dan pada skala besar
(industri) proses pindah panas perlu dipertimbangkan untuk proses optimasi.
Reaktor merupakan salah satu elemen penting pada teknologi pirolisis plastik,
karena panas dalam jumlah yang besar perlu dipindahkan (pindah panas) melalui
dinding reaktor untuk memastikan terjadinya proses pirolisis plastik. Eksperimen
diperlukan untuk mendapatkan karakteristik pindah panas dalam reaktor.
Eksperimen sangat diperlukan dikarenakan minimnya informasi mengenai
karakteristik pindah panas di dalam suatu reaktor. Eksperimen dilakukan sesuai
3
dengan kondisi pada penelitian pirolisis plastik yang telah dilakukan sebelumnya
sehingga diperoleh eksperimen data yang dapat digunakan untuk membuat model
simulasi dari reaktor pirolisis plastik.
Reaktor dirancang dan dibuat untuk digunakan sebagai experimental set-up.
Sasaran utama dari penelitian ini adalah untuk mempelajari sebaran suhu yang
terjadi selama proses pirolisis plastik dan membuat model simulasi kontur suhu di
dalam reaktor. Data eksperimen yang diperoleh dari percobaan dengan
experimental set-up (reaktor pirolisis plastik) merupakan data sebaran suhu
selama pirolisis plastik. Data sebaran suhu tersebut nantinya akan digunakan
untuk membuat model kontur suhu dengan menggunakan (CFD) dan digunakan
melakukan validasi dari model tersebut. CFD digunakan sebagai media analisis
numerik karena dapat melakukan perhitungan secara cepat sehingga dapat
mengefisiensikan waktu (Tuakia 2008). Hasil yang diperoleh dari model simulasi
CFD yaitu berupa kontur suhu dari proses pirolis plastik dengan kondisi yang
digunakan adalah kondisi steady state. Model simulasi tersebut yang nantinya
dapat digunakan sebagai dasar perancangan reaktor pirolisis plastik.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah membuat model simulasi sebaran suhu
pada reaktor pirolisis plastik dengan aplikasi (CFD) dengan kondisi steady state,
dan melakukan analisa sebaran suhu yang terjadi selama proses pirolisis
berlangsung. Guna mendapatkan model kontur suhu dengan CFD dan validasi
hasil model CFD, maka reaktor pirolisis plastik dirancang dan dibangun untuk
dijadikan sebagai experimental set-up. Model simulasi yang diperoleh
menggambarkan kontur dan pola sebaran suhu selama proses pirolisis plastik di
dalam reaktor. Diharapkan melalui penelitian ini diperoleh model kontur sebaran
suhu yang dapat digunakan untuk perancangan reaktor pirolisis plastik.
TINJAUAN PUSTAKA
Plastik
Plastik adalah suatu polimer yang mempunyai sifat-sifat unik dan luar biasa.
Polimer adalah suatu bahan yang terdiri dari unit molekul yang disebut monomer
(Mujiarto 2005).
Menurut Mujiarto (2005) secara garis besar, plastik dapat dikelompokkan
menjadi dua golongan, yaitu: plastik thermoplast dan plastik thermoset. Plastik
thermoplast merupakan plastik yang dapat dicetak berulang-ulang dengan bantuan
panas, dan yang termasuk plastik thermoplast antara lain: PE, PP, PS, ABS, SAN,
nylon, PET, BPT, Polyacetal (POM), PC dll. Plastik thermoset adalah plastik
yang apabila telah mengalami kondisi tertentu tidak dapat dicetak kembali karena
bangun polimernya berbentuk jaringan tiga dimensi, yang termasuk plastik
thermoset adalah: PU (Poly Urethene), UF (Urea Formaldehyde), MF (Melamine
Formaldehyde), polyester, epoksi, dsb.
4
Polypropylene (PP)
Menurut Andrady dan Anthony (2003) polypropylene (PP) dibuat dari
polimerisasi monomer propylene pada proses dengan tekanan rendah
(CH2=CHCH3). PP sering diaplikasikan pada pembuatan karpet dan batere, selain
itu PP juga selain itu juga PP sering diaplikasikan pada hiasan mobil, cashing
accumulator, botol dan tas.
Tabel 1 Nilai kalor dari berbagai jenis plastik
Material
Nilai kalor (MJ/kg)
Polyethylene
46.3
Polypropylene
46.4
Polystyrene
41.4
Polyvinyl chloride
18.0
Sumber : (Baines 1993)
Polyethylene (PE)
Menurut Andrady dan Anthony (2003) polyethylene merupakan jenis plastik
yang paling banyak digunakan di dunia. Homopolimer dari polietilena memiliki
struktur paling sederhana dibanding dengan polimer lainnya (CH2=CH2).
Berdasarkan pada karakteristik bulk density PE dibagi menjadi tiga jenis yaitu
Low-density polyethylene (LDPE), High-density polyethylene (HDPE) dan Linear
low-density polyethylene (LLDPE).
HDPE memiliki struktur yang paling sederhana diantara ketiga jenis plastik
PE. HDPE memiliki tingkat tertinggi kristalinitas dalam polietilena. Memiliki
berat molekul yang cukup tinggi untuk mendapatkan tingkat kristalinisasi yang
tinggi pada 70-95 % dan memiliki kerapatan 0.941-0.965 g/cm3. LDPE memiliki
kerapatan sekitar 0.910-0.930 g/cm3 dan kristalinisasi sekitar 40-60%. LDPE
memiliki titik leleh pada suhu 110-115 (Andrady dan Anthony 2003).
Polyethylene Terephthalate (PET)
Menurut Andrady dan Anthony (2003) Polyethylene terephtalate yang
sering disebut PET merupakan polimer kondesasi yang terbuat dari ethylene
glycol (EG) dan terephtalic acid (TPA) atau dimetil ester atau asam terepthalat
(DMT). PET merupakan keluarga polyester seperti halnya PC. PET memiliki daya
serap uap air yang rendah, demikian juga daya serap terhadap air. PET sering
diaplikasikan pada botol - botol untuk air mineral, soft drink, sirup, dsb.
Polyvinyl Chloride (PVC)
Menurut Andrady dan Anthony (2003) PVC merupakan jenis plastik kedua
yang paling sering digunakan di dunia setelah polietilena. PVC dibentuk melalui
polimerisasi vinyl chloride monomer (VCM) (CH2=CH-Cl). VCM merupakan
volatile dengan suhu didih pada 13.4
dan menimbulkan polusi udara yang
berbahaya. PVC umumnya digunakan untuk pipa dan plumbing (pemasangan pipa
saluran air) karena tahan lama, tidak berkarat dan lebih murah dari pipa besi.
Pirolisis
Pirolisis adalah proses degradasi termal dari material tanpa adanya oksigen
atau dalam keadaan kekurangan oksigen. Pirolisis dibagi menjadi dua tingkatan
proses, yaitu pirolisa primer dan pirolisa sekunder. Pirolisa primer adalah pirolisis
5
yang terjadi pada bahan baku (umpan), sedangkan pirolisa sekunder adalah
pirolisis yang terjadi atas partikel dan gas/uap hasil pirolisa primer. Menurut
Katyal (2007) dan Singh et al. (2011) pirolisis konvensional (pirolisis lambat) di
bawah tingkat pemanasan rendah dengan hasil berupa padat, cair, dan produk gas
dalam porsi yang signifikan, proses ini digunakan untuk menghasilkan arang.
Pirolisis cepat dikaitkan dengan tar, pada suhu rendah 850-1250 K dan atau
gas pada suhu tinggi 1050-1300 K. Saat ini teknologi ini disukai karena cepat
pada suhu tinggi dengan waktu tinggal yang sangat singkat. Pirolisis cepat (lebih
akurat didefinisikan sebagai thermolysis) adalah suatu proses di mana materi,
seperti biomassa, dengan cepat dipanaskan sampai suhu tinggi tanpa adanya
oksigen didasarkan pada Singh et al. (2011) dan Demirbas (2009).
Paris et al. (2005) mengatakan bahwa pirolisis merupakan proses dari
pembakaran tidak sempurna pada proses pengarangan dengan menggunakan suhu
tinggi pada bahan-bahan yang mengandung karbon. Pada umumnya proses
pirolisis menggunakan reaktor yang terbuat dari baja, sehingga bahan yang akan
dipirolisis tidak melakukan kontak langsung dengan oksigen. Pada umumnya
proses pirolisis berlangsung pada suhu diatas 300
dalam waktu 4-7 jam.
Namun keadaan ini sangat bergantung pada bahan baku dan cara pembuatannya
(Demirbas 2005).
Menurut Goyal et al. (2006), proses pirolisis secara umum dikategorikan
menjadi beberapa tipe, yaitu:
1. Pirolisis lambat (Slow Pyrolysis)
Pirolisis yang dilakukan pada tingkat pemanasan yang lambat (5-7
K/min). Pirolisis ini menghasilkan cairan yang sedikit sedangkan gas dan
arang lebih banyak dihasilkan.
2. Pirolisis cepat (Fast Pyrolysis)
Pirolisis cepat biasanya digunakan untuk menghasilkan bio-oil dengan
kualitas yang tinggi. Sedangkan menurut Bridgewater (2012) Pirolisis cepat
material terurai dengan sangat cepat dan menghasilkan sebagian besar uap
dan sedikit gas dan arang. Suhu reaksi sekitar 500
dengan waktu reaksi
kurang dari 2 s, produk utama bio-oil yang diperoleh dari pirolisis cepat
mencapai 75%.
3. Pirolisis kilat (Flash Pyrolysis)
Proses pirolisis ini berlangsung hanya beberapa detik saja. Proses
pirolisis kilat membutuhkan suhu reaksi yang sangat tinggi.
4. Pirolisis katalitik
Pirolisis katalitik adalah proses pirolisis yang menggunakan katalisator.
Katalisator pada pirolisis diperkenalkan untuk meningkatkan kualitas minyak
yang dihasilkan. Minyak yang dihasilkan dengan pirolisis katalis tidak
memerlukan kembali teknik peningkatan kualitas lagi seperti kondensasi
ulang dan evaporasi ulang. Gambar 1 memperlihatkan proses pirolisis untuk
menghasilkan bahan bakar minyak.
6
Waste plastic
Fuel gas
Catalyst
Gas
Condenser
Plastic Knapper
Gasoline
Pyrolysis
reactor
Mixed oil
Diesel oil
Gambar 1 Proses pirolis plastik untuk menghasilkan bahan bakar minyak
(Zhang 2007)
Sistem Pindah Panas
Pindah panas adalah perpindahan energi dari suatu bidang kebidang yang
lain dengan disertai perubahan suhu pada dua bidang tersebut (McCabe et al.
2005). Pindah panas dapat terjadi dengan 3 metode, yaitu konduksi, konveksi dan
radiasi. Pindah panas pada pipa yang dipanaskan secara langsung akan mengalami
proses konduksi dan konveksi.
Konduksi
Konduksi dalam suatu bahan mengalir terdapat gradien suhu, maka kalor
akan mengalir tanpa disertai oleh sesuatu gerakan zat. Aliran kalor tersebut
disebut dengan konduksi (McCabe et al. 2005).
Menurut Holman (2010) secara umum besaran kalor dapat dalam konduksi
dapat dihitung melalui persamaan (1):
dT
(1)
q = - kA
dr
Besarnya nilai
dipengaruhi bentuk bidang tempat pindah panas terjadi.
Pada silinder berlubang nilainya dapat dicari dengan persamaan (2):
dT
=
dr
1
r
ln o
ri
Ti To
(2)
Oleh karena itu, dari persamaan di atas maka besarnya kalor yang
dipindahkan pada bidang silinder berlubang atau pipa dapat ditentukan dengan
persamaan (3):
q=
q
2klTi To
r
ln o
ri
: Pindah panas secara konduksi (joule)
: Jari-jari dalam pipa (m)
(3)
7
l
k
(
)
: Jari-jari luar pipa (m)
: Panjang pipa (m)
: Konduktivitas panas (watt/mK)
: Perbedaan pipa luar dan pipa dalam (K)
Konveksi
Konveksi arus partikel-partikel utama pembentuk fluida melintas suatu
permukaan tertentu, seperti umpamanya, bidang batas suatu volume kendali arus
akan ikut membawa serta jumlah tertentu entalpi. Aliran entalpi tersebut disebut
dengan konveksi. (McCabe et al. 2005). Menurut Holman (2010) nilai kalor yang
dipindahkan melalui konveksi dapat menggunakan persamaan (4):
q = hA(Ts - T )
q
h
A
(4)
: Kalor yang dipindahkan (watt)
: Koefisien pindah panas konveksi (watt/m2K)
: Luas permukaan dinding (m2)
: Perbedaan suhu dinding dengan suhu fluida (K)
Menurut Lienhard IV dan Lienhard V (2003) konveksi dapat dibedakan
menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Konveksi bebas adalah
perpindahan panas yang terjadi di mana aliran fluida bergerak dengan pengaruh
gravitasi tanpa pengaruh eksternal yang lain. Sedangkan konveksi paksa adalah
proses pindah panas di mana fluida bergerak dengan disengaja dan diatur
kecepatan dan debitnya.
Menurut Lienhard IV dan Lienhard V (2003) konveksi pada pipa
dipengaruhi oleh bilangan reynold yang dapat dicari dengan persamaan (5):
Re =
Re
Ρ
V
D
ρVD
(5)
: Bilangan reynold
: Densitas (kg/m3)
: Kecepatan aliran (m/detik)
: Diameter pipa pemanas air (m)
: Viskositas dinamik (kg/ms)
Perhitungan tradisional untuk menghitung pindah panas secara konveksi
paksa dengan aliran turbulen di dalam pipa dapat digunakan dengan menggunakan
persamaan (6):
Nu d = 0.023 Re 0.8Pr n
(6)
Persamaan tersebut berlaku jika memenuhi syarat sebagai berikut
(Lienhard IV dan Lienhard V 2003) :
1. Semua nilai dari sifat panas fluida berdasarkan suhu rata-rata
2. Nilai n = 0.3 jika fluida didinginkan, sedangkan nilai n = 0.4 jika fluida
dipanaskan.
3. Nilai Re harus lebih besar dari 104
4. Nilai Pr terletak antara 0.6 sampai 100
5. Perbandingan antara L dengan D lebih dari 60
8
Nilai Pr (Prandtl Number) berfungsi sebagai penghubung antara kecepatan
dengan suhu pada pindah panas, dan dapat ditentukan dengan persamaan (7):
Pr =
Cp
ρ
=
=
k ρCp
k
(7)
Nilai koefisien pindah panas secara konveksi dapat dihitung melalui
persamaan (8) (Lienhard IV dan Lienhard V 2003) :
Nu d
hk
D
h
k
D
(8)
: Nusselt Number
: Koefisien pindah panas secara konveksi (W/m2K)
: Koduktivitas panas fluida (W/mK)
: Diameter pipa (m)
Menurut Holman (2010) dalam buku Heat Transfer Tenth Edition pada
konveksi natural pergerakan fluida terjadi secara natural atau yang biasa disebut
dengan buoyancy. Densitas merupakan fungsi dari tempertaur, variasi dari
densitas pada tekanan konstan dapat dinyatakan dalam koefisien volume ekspansi
β. Pada gas ideal β dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (9):
1
(9)
β
T
T = Suhu dalam Kelvin
Besarnya nilai konveksi secara natural dapat ditung dengan menggunakan
persamaan (10):
Nu f C Gr Pr m
f
Nu
Gr
Pr
C dan m
f
(10)
: Nusselt number
: Grashof number
: Prandtl number
: Konstanta pada setiap kasus
Besarnya nilai Nuf pada pipa horizontal dengan aliran laminar pada 103 <
(Pr.Gr) < 109 dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (11):
Nu f = 0.54 (GrPr)0.25
(11)
dengan nilai Grashof dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (12):
Gr =
Gr
β
x
βg Tw T x 3
2
: Grashof number
: Koefisien volume ekspansi (1/K)
: Suhu pemanasan bahan (K)
: Suhu di dinding (K)
: Diameter (m)
: Viskositas kinematik (m2/s)
(12)
9
Suhu rata-rata pindah panas yang terjadi dapat dihitung dengan persamaan
(13):
Tf =
T Tw
2
......................................... (13)
: Suhu rata-rata (K)
: Suhu pemanasan bahan (K)
: Suhu di dinding (K)
Kondensasi dan Kondenser
Kondenser merupakan sebuah alat penukar panas (heat exchanger) yang
berfungsi mengkondensasikan fluida kerja. Kondensasi terjadi jika suhu dari
bahan dibawah suhu saturasi dari gas, kemudian pada gas terjadi perubahan fase
menjadi cair.
Terdapat dua jenis kondensasi yang terjadi pada proses kondensasi di dalam
kondenser, yaitu kondensasi lapisan (film) dan kondensasi titik (droplet). Pada
kondensasi lapisan, proses terjadinya dimulai dengan timbulnya lapisan film yang
menyelubungi dinding-dinding sebelah dalam pipa dan semakin lama akan
menjadi lapisan tebal serta akhirnya mengalir akibat pengaruh gravitasi. Pada
kondensasi titik, proses kondensasi terjadi dengan dimulainya titik-titik yang
akhirnya berubah dan berkembang menjadi tetesan-tetesan cairan dan jatuh dari
permukaan akibat dari gravitasi (Holman 2010).
Terdapat berbagai jenis heat exchanger yang terdapat dipasaran, yaitu shell
and tube heat exchanger, cross flow heat exchanger dan double pipe heat
exchangers. Ketiga alat penukar panas tersebut memiliki fungsi yang berbedabeda. Contohnya pada cross flow heat exchanger biasanya digunakan pada proses
pemanasan dan pendinginan udara ataupun gas sedangkan pada shell and tube
heat exchangers sering diaplikasikan pada penerapan bioteknologi. Berbagai
macam alat penukar panas dapat dilihat pada Gambar 2.
Menurut Rohsenow (1973) dalam Holman (2010) nilai dari koefisien pindah
panas dari kondensasi lapisan yang terjadi pada pipa horizontal dengan aliran
laminar dapat diketahui dengan persamaan:
ρρ ρ g hfg k
(14)
h 0.725
1 4
d
T
T
g
w
h
: Koefisien pindah panas (W/m )
: Densitas (kg/m3)
g
: Gravitasi (m/s2)
hfg
: Evaporasi entalpi (kJ/kg)
: Viskositas dinamik (kg/ms)
d
: Diameter (m)
: Suhu saturasi
: Suhu di dinding
12
Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fakultas
Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Seluruh kegiatan uji kinerja
dilakukan di Laboratorium Teknik Energi Terbarukan Laboratorium, Lapangan
Bersama Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fakultas
Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
Alat dan Bahan
Rincian alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai
berikut:
1. Pembuatan reaktor pirolisis plastik
Alat : Las listrik, las asitelin, las kuningan, gerinda tangan, palu, gergaji
mesin.
Bahan :
1. Badan reaktor berupa pipa besi dengan ketebalan 6 mm dan diameter
0.31 m
2. Tutup reaktor berupa plat besi dengan tebal 5 mm dengan diameter 0.41
m
3. Tutup bagian bawah reaktor berupa plat dengan ketebalan 5 mm dan
diameter 0.31 m
4. Lubang termokopel terbuat dari double naple dengan bahan kuningan
dengan ukuran 3/8 inch.
5. Lubang keluar gas terbuat dari double naple dengan bahan kuningan
dengan ukuran 3/8 inch.
6. Plat unloading bagian dasar reaktor dengan diameter 0.31 m dengan
ketebalan 0.8 mm
7. Sealer gasket untuk mencegah kebocoran gas pada tutup reaktor terbuat
dari paking klingrit dengan tebal 5 mm dan diameter 0.41 m.
2. Pembuatan kondenser berpendingin udara
Alat : Seperangkat alat pembentuk pipa tembaga
Bahan :
1. Pipa tembaga ukuran 3/8 inch dengan panjang total pipa tembaga adalah
2.7 m.
2. Pipa tembaga L dengan ukuran 3/8 inch.
3. Pengujian alat
Alat :
1. Perangkat komputer merk ASUS tipe A43S untuk proses perekaman data
dan pengolahan data.
2. Trafo 50 kVA dengan thermo control milik PT Panasindo Jaya Mandiri.
3. Thermocouple batang tembaga tipe K merupakan sensor untuk
melakukan pengukuran sebaran suhu selama proses pirolisis yang
dihubungkan dengan data akuisisi.
4. Data akuisisi National Instrument untuk membaca dan merekam data
suhu selama proses pengukuran sebaran suhu yang terhubung langsung
kepada komputer. Pembacaan dan perekaman suhu dilakukan setiap 2
detik. Pembuatan diagram blok pada perangkat lunak LabVIEW, diagram
blok diperlukan sebagai flow chart skema pembacaan suhu pada data
13
akuisisi. Kemudian hasil dari skema digram blok dapat dilihat pada front
panel. Front panel menunjukkan data dalam bentuk digital dan grafik.
Diagram blok pada aplikasi LabVIEW dapat dilihat pada Gambar 4.
Front panel dapat dilihat pada Gambar 5.
5. Timbangan digital untuk mengukur bahan baku plastik yang dimasukkan
ke dalam reaktor dan mengukur jumlah minyak dan residu yang
dihasilkan.
Bahan : Sampah botol plastik bekas (PET) yang diperoleh dan dikumpulkan
dari sekitar Dramaga, Bogor. Botol plastik kemudian dibersihkan dan
dipotong dengan ukuran 2-5 mm.
Gambar 4 Diagram blok pada perangkat lunak LabVIEW
Gambar 5 Front panel pada perangkat lunak LabVIEW
14
Tahapan Penelitian
Penelitian diawali dengan pengumpulan informasi yaitu dengan cara studi
literatur yang berkaitan dengan sifat fisik dari botol plastik (PET), karakteristrik
proses pirolisis plastik, proses kondensasi dan proses pindah panas. Studi literatur
juga dilakukan untuk menentukan kriteria desain yang akan digunakan pada
proses perancangan reaktor yang digunakan dalam experimental set-up. Analisis
teknik dilakukan untuk menentukan dimensi dan ukuran dari reaktor. Perancangan
reaktor menggunakan perangkat lunak SolidWorks Premium 2012 sehingga
dihasilkan gambar teknik agar dapat memudahkan dalam proses pabrikasi. Proses
pabrikasi dan pengujian alat dilakukan kemudian.
Uji kinerja alat bertujuan untuk mengetahui kinerja alat yang sudah
dirancang apakah sudah berfungsi sebagaimana diharapkan. Uji kinerja reaktor
hanya sebatas untuk mengetahui sebaran suhu di dalam reaktor. Data yang
diperoleh dari uji kinerja (eksperimen) digunakan untuk melakukan simulasi
model kontur suhu dengan menggunakan CFD. Secara garis besar tahapan
penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 6.
Mulai
Identifikasi Masalah
Studi Literatur
Persiapan Sistem
Simulasi
Persiapan Peralatan
Eksperimen
Simulasi
Eksperimen / Observasi
Verifikasi Data
Selesai
Gambar 6 Diagram alir tahapan penelitian
Tahapan penelitian secara lengkap akan dijelaskan pada bagian di bawah ini:
1. Identifikasi masalah
Identifikasi masalah dilakukan untuk mengetahui permasalahan yang terjadi
di lingkungan secara umum yang terkait dengan bidang penerapan energi
terbarukan dan menemukan kemungkinan pemecahan masalah atau solusi yang
dapat dilakukan untuk dijadikan bahan penelitian.
15
2. Pengumpulan informasi dan studi literatur
Pengumpulan informasi dan studi literatur dimaksudkan untuk mempelajari
penelitian-penelitian sebelumnya yang diperoleh dari sumber buku, jurnal baik
pada jurnal nasional maupun internasional yang terkait dengan permasalahan yang
ditemukan dan solusi dari pemacahan masalah tersebut. Pada penelitian ini studi
literatur diperlukan untuk mengetahui dari sifat fisik dan kimia dari plastik
minuman botol bekas (PET), mengetahui bagaimana proses pirolisis plastik
berlangsung, mengetahui prinsip dari kondensasi sehingga plastik mengalami
perubahan fase dan berubah menjadi minyak/bahan bakar, mengetahui sistem
pindah panas pada reaktor. Selain itu studi literatur juga diperlukan untuk
mengetahui prinsip-prinsip simulasi CFD dan mengetahui karakteristik dari
kondisi batas yang diperlukan untuk simulasi sebaran suhu pada CFD.
3. Penentuan kriteria perancangan
Reaktor hasil perancangan dimaksudkan sebagai experimental set-up untuk
mendapatkan data berupa sebaran suhu. Data tersebut nantinya digunakan dalam
pemodelan simulasi dengan CFD dan validasi dari model yang dihasilkan
tersebut.
Perancangan reaktor pirolisis plastik ini mengikuti bentuk reaktor sederhana
pada umumnya yang berbentuk silinder dengan dimensi tinggi pada reaktor di
dasarkan pada pertimbangan metode pengambilan data dari sebaran suhu dengan
metode grid pada satu dimensi yaitu dimensi y dengan kondisi steady state.
Penentuan kriteria perancangan ditentukan berdasarkan prinsip kerja alat yang
akan dibuat, dilakukan dengan menentukan kriteria dasar reaktor. Pemanas
digunakan untuk memanaskan plastik yang terdapat di dalam reaktor. Suhu
pemanasan dikontrol oleh thermo control dan di set dengan suhu 250 , 300 ,
350 , 400
dan 450 . Lima suhu pemanasan tersebut didasarkan pada
penelitian yang dilakukan sebelumnya oleh Ademiluyi and Akpan (2007) dan
penelitian yang dilakukan oleh Ramadhan dan Ali (2012).
Kondenser digunakan untuk menangkap gas yang dihasilkan selama proses
pirolisis plastik dan mengubahnya menjadi bentuk cair. Kondenser yang
dihasilkan pada perancangan ini didasarkan pada kebutuhan suhu distilasi dari gas
yang dihasilkan pada proses pirolisis plastik untuk menghasilkan bahan bakar
minyak yaitu pada suhu 40-360 (Ademiluyi and Akpan 2007).
4. Perancangan
Perancangan meliputi rancangan fungsional untuk menentukan fungsi dari
komponen utama dari reaktor dan rancangan struktural untuk menentukan bentuk
dan tata letak dari komponen utama. Diagram alir perancangan reaktor pirolisis
plastik dapat dilihat pada Gambar 7.
1) Rancangan Fungsional Alat
Rancangan fungsional alat terdiri dari:
a. Reaktor
b. Kondenser
c. Pemanas (heater)
16
Mulai
Data dan informasi
penunjang
Identifikasi masalah
Pengumpulan informasi dan
Studi literatur
Penentuan kriteria perancangan
Perancangan fungsional dan struktural
Analisis/perhitungan gambar teknik dan gambar kerja
Gambar teknik
Fabrikasi
Uji fungsional
Tidak
Modifikasi
Berhasil?
Ya
Uji kinerja dan struktural alat
Pengolahan data
Selesai
Gambar 7 Diagram alir perancangan reaktor pirolisis plastik
2) Rancangan Struktural Alat
Rancangan struktural pada penelitian ini adalah :
a. Reaktor
Reaktor berbentuk silinder dengan dilengkapi dengan lubanglubang termokopel untuk pengukuran suhu. Pada tutup reaktor
dilengkapi dengan lubang keluaran gas hasil pirolisis sebagai tempat
keluarnya gas yang terhubung langsung dengan kondenser. Pada saat
proses pirolisis plastik reaktor juga diselimuti dengan insulasi ceramic
silicone untuk mengurangi pindah panas yang keluar dari dalam
reaktor menuju lingkungan.
17
b. Kondenser
Kondenser pada sistem ini merupakan kondenser berpendingin
udara yang terbuat dari pipa tembaga dan dilengkapi dengan double
naple untuk memudahkan instalasi antara reaktor dengan kondenser.
c. Pemanas (heater)
Sumber energi listrik dibutuhkan untuk melakukan pemanasan.
Pemanas dilengkapi dengan trafo dan kontaktor serta thermo control.
Thermo control digunakan untuk melakukan kontrol terhadap suhu
pemanasan di dalam reaktor. Pemanas diletakkan diluar reaktor
dengan tinggi pemanas 20 cm dari dasar reaktor. Skema rancangan
alat reaktor pirolisis plastik dapat dilihat pada Gambar 7.
C
F
A
B
D
E
Gambar 8 Skema rancangan alat reaktor pirolisis plastik
Keterangan gambar:
A : Reaktor
D : Data akuisisi
B : Pemanas (heater)
C : Kondenser
E : Komputer
F : Termokopel
Gambar 8 memperlihatkan cara kerja dari sistem pada reaktor pirolisis
plastik. Cara kerja alat tersebut adalah pemanas (heater) memanaskan tabung
reaktor dari luar. Pemanas (heater) terhubung dengan trafo dan kontaktor sebagai
pemutus dan penyambung arus. Panas di dalam reaktor dikontrol oleh thermo
control yang terhubung langsung dengan trafo. Plastik yang dipanaskan akan
berubah wujud menjadi cair kemudian menjadi gas dan gas tersebut keluar
melalui lubang keluaran yang terdapat di atas reaktor yang terhubung dengan
kondenser berpendingin udara. Gas yang melalui kondenser mengalami
19
Sehingga dari data-data tersebut dapat diperoleh dimensi dari diamater
reaktor, dengan menggunakan persamaan (22). Kemudian untuk
memperoleh tinggi dari reaktor dapat menggunakan rumus volum tabung
pada persamaan (23).
ρ
m
v
16 kg m 3
(22)
1.5kg
v
= 0.119 m3
v
1
d 2 t
4
(23)
Jika tinggi reaktor yaitu 1 m maka diperoleh diameter dari reaktor yaitu:
= 0.34 m
b. Kondenser
Kondenser berfungsi untuk menangkap gas hasil pirolisis plastik dan
mengkondensasikan asap tersebut menjadi bentuk cair. Kondenser yang
dirancang terbuat dari pipa tembaga 3/8 inch. Pemilihan bahan dan ukuran
diameter pipa berdasarkan ketersediaan bahan pada Lab. Energi dan
Elektrifikasi Pertanian.
Panjang kondenser menjadi penentu apakah gas hasil pirolisis plastik
dapat dikondensasikan menjadi bentuk cair. Guna mengkondensasikan gas
hasil pirolisis plastik dibutuhkan nilai dari overall heat transfer coefficient.
Penentuan nilai overall heat transfer coefficient berdasarkan fenomena
pindah panas yang terjadi pada kondenser, terdapat tiga buah fenomena
yang terjadi pada sistem kondenser yang dirancang: konveksi natural pada
bagian luar kondenser, konduksi antara gas hasil pirolisis plastik dengan
bagian kondenser dan yang terakhir adalah kondensasi yang terjadi di dalam
kondenser. Gas yang terbentuk selama proses pirolisis plastik dianggap
memiliki karateristik termal seperti udara (Zhuo 2009).
Kondisi suhu pada sistem:
suhu gas keluaran yang diharapkan 70 .
suhu gas yang masuk kedalam kondenser 250 .
suhu lingkungan 30 .
suhu udara yang melewati kondenser 40 .
Pipa yang digunakan pipa tembaga dengan karakteristik sebagai berikut:
diameter luar
= 0.0127 m
diameter dalam = 0.01143 m
k = 360.5 W/m
Bagian 1 : peristiwa yang terjadi di dalam kondeser merupakan peristiwa
kondensasi
70 40
suhu film =
55 .
2
Karakteristik udara pada suhu 55
adalah:
20
= 1.0624 kg/m3
= 1.99 x 10-5 kg/ms
= 0.028 W/m
= 2369.8 kJ/kg
= 70 - 30 = 40
densitas (p)
viskositas dinamik (u)
konduktivitas termal (k)
entalphy evaporation ( )
Tg-Tw
Konveksi pada kondensasi adalah:
0.25
0.028 3 W/m C 1.0624 2 kg/ms 9.81 2.3698 10 6
= 0.725
1.99 x 10 -5 0.01143 40
2
= 64.670 W/m .K
Bagian 2: peristiwa yang terjadi adalah konduksi
5.715 10 3
ln
6.35 10 3
6.670 10 5
=
2 360.5
Bagian 3 : konveksi natural yang terjadi pada luar kondenser.
40 30
=
35 .
2
Maka karakteristik udara pada suhu 35 oC adalah:
densitas (p)
= 1.146 kg/m3
diskositas dinamik (u)
= 1.891 x 10-5 kg/ms
konduktivitas termal (k)
= 0.026 W/m
cp
= 1.007 x 10-3
β
= 1/ 308 K = 0.00324 K-1
Pr
= 0.712
viskositas kinematik (v)
= 16.754 x 10-6 m2/s
Tg-Tw
= 40 - 30 = 10
Pada bagian luar kondenser terjadi konveksi natural, maka:
Suhu film
=
9.81 0.00324 40 30 0.0127 3
2326.801
1.6754 10 5
=1656.628, karena 1 <
=0.54(2326.801)0.25 = 3.44
sehingga nilai dari h0 = 3.44
PIROLISIS UNTUK MEMPRODUKSI BAHAN BAKAR
MINYAK DARI LIMBAH PLASTIK
FEBRI ADITYA PRATAMA ARISTA GABE
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Analisa Termal pada
Rancang Bangun Reaktor Pirolisis untuk Memproduksi Bahan Bakar Minyak dari
Limbah Plastik adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing
dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun.
Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun
tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan
dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Januari 2015
Febri Aditya Pratama Arista Gabe
NIM F14100054
ABSTRAK
FEBRI ADITYA PRATAMA ARISTA GABE. Analisa Termal pada Rancang
Bangun Reaktor Pirolisis untuk Memproduksi Bahan Bakar Minyak dari Limbah
Plastik. Dibimbing oleh EDY HARTULISTIYOSO dan MUHAMAD
YULIANTO.
Peningkatan jumlah limbah plastik menimbulkan permasalahan besar bagi
lingkungan. Pirolisis plastik menjadi potensial yang dapat digunakan untuk
mengkonversi limbah plastik menjadi bahan kimia yang berguna dan bahan bakar
minyak. Sebagian besar penelitian pirolisis plastik dilakukan pada skala lab, dan
proses pindah panas sering diabaikan. Tujuan dari penelitian ini adalah membuat
model simulasi sebaran suhu pada reaktor pirolisis plastik menggunakan
Computational Fluid Dynamics (CFD) dan melakukan analisa sebaran suhu yang
terjadi selama proses pirolisis berlangsung. Reaktor dirancang sebagai experimental
set-up. Pengujian dilakukan dengan 5 tingkatan suhu berbeda pada 3 jam pengujian
kerja. Hasil pengujian, jumlah minyak terbanyak yang dihasilkan yaitu 21.32 g pada
suhu pirolisis 450 . Pada pengujian sebaran suhu memperlihatkan bahwa pola
sebaran suhu yang terjadi hampir sama pada setiap tingkatan suhu pirolisis dan
terjadi penurunan suhu secara vertikal ke bagian atas reaktor. Hasil validasi
memperlihatkan bahwa hasil simulasi sebaran suhu menggunakan CFD mendekati
nilai suhu pengukuran di dalam reaktor pada saat proses pirolisis plastik.
Kata kunci: Bahan bakar minyak, limbah plastik, reaktor pirolisis, sebaran suhu,
simulasi CFD.
ABSTRACT
FEBRI ADITYA PRATAMA ARISTA GABE. Thermal Analysis on Pyrolysis
Reactor Design for Producing Fuel from Plastic Wastes. Supervised by EDY
HARTULISTIYOSO and MUHAMAD YULIANTO.
The increasing amounts of plastic wastes generate enormous environmental
problems. The pyrolysis can potentially be used to convert plastics into valuable
chemicals and fuels. Almost all of the pyrolysis experiments conducted in laboratory
condition, and the heat transfer is not investigated. The objectives of this study were
to design temperature profile model using Computational Fluid Dynamics (CFD) and
analyze its temperature distribution. Reactor was designed as an experimental set-up.
For performance test, temperature was maintained in 5 difference level with 3 hours
of production process. The result showed that the highest fuel yield produced from
450 pyrolysis temperature with 21.32 g of fuel yield. Each level of temperature
degrees have almost similar temperature distribution pattern with temperature
decreased vertically to the top of reactor. The result showed that validation using
CFD simulation was approaching the value of temperature measurement on reactor.
Keywords: Fuel, plastic waste, pyrolysis reactor, temperature distribution, CFD
simulation.
ANALISA TERMAL PADA RANCANG BANGUN REAKTOR
PIROLISIS UNTUK MEMPRODUKSI BAHAN BAKAR
MINYAK DARI LIMBAH PLASTIK
FEBRI ADITYA PRATAMA ARISTA GABE
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Judul Skripsi : Analisa Termal pada Rancang Bangun Reaktor Pirolisis untuk
Memproduksi Bahan Bakar Minyak dari Limbah Plastik
Nama
: Febri Aditya Pratama Arista Gabe
NIM
: F14100054
Disetujui oleh
Dr Ir Edy Hartulistiyoso MSc
Pembimbing I
Dr Muhamad Yulianto ST MT
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Ir Desrial, MEng
Ketua Departemen
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala
karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih
dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2014 hingga Juli 2014
ini ialah konversi energi, dengan judul Analisa Termal pada Rancang Bangun
Reaktor Pirolisi untuk Menghasilkan Bahan Bakar Minyak dari Limbah Plastik.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Edy Hartulistiyoso selaku
pembimbing I dan Bapak Dr Muhamad Yulianto selaku pembimbing II yang telah
memberikan kontribusi sangat besar yaitu bimbingan, arahan, dan motivasi
kepada penulis. Terimakasih juga kepada Dr Lenny Saulia sebagai dosen penguji
skripsi, semoga ibu diberi kesehatan selalu.
Ungkapan terimakasih juga disampaikan kepada ayah (Bustamin Sigiro),
ibu (Ratna Linda Sagala) dan adik (Andrew Prihatmoko) serta seluruh keluarga
atas segala doa, dukungan dan kasih sayangnya. Terimakasih juga penulis
ucapkan kepada CEO PT Panasindo Jaya Mandiri karena telah meminjamkan
pemanas serta trafo sehingga penelitian ini berjalan dengan lancar, para teknisi
Departemen TMB (Pak Harto, Pak Agus, Mas Firman dan Mas Darma).
Terimakasih teramat banyak untuk teman teman Antares TMB 47 (Dhiko, Haga,
Ryan, Herwin, Candra Viki, Deny, Aulia Muthmainnah, Eris, Amri, Fachri,
Rosma, Andyka Setio, Fika Rahimah, Rizki Agung, Reno, Fajar Ulum, Oldga,
Elgy, Adhika Rozi, Herdimas, Aswin, Dian, Imam, Weny, Dika, Dhany, Putri,
Raga, Budi Heriansyah, Ruli, Rifqi, Eki, Fajardo, Dima, Reno, Rizky Aidil,
Danang, Asiyah, Sigit, Marcha) untuk bantuan dan motivasi yang telah banyak
membantu selama penelitian dan telah menjadi keluarga dan rekan seperjuangan
penulis hingga dapat menyelesaikan skripsi ini, para teman Universitas Brawijaya
(Vita, Fudin, Yoga, Sulton Anisa dan Ria) terimakasih motivasinya, dan kepada
Lenggogeni Tanjung untuk bantuan semangat dan motivasinya yang telah banyak
membantu selama penelitian.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Januari 2015
Febri Aditya Pratama Arista Gabe
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
2
Tujuan Penelitian
3
TINJAUAN PUSTAKA
3
Plastik
3
Pirolisis
4
Sistem Pindah Panas
6
Kondensasi dan Kondenser
9
METODOLOGI
11
Waktu dan Tempat Pelaksanaan
11
Alat dan Bahan
12
Tahapan Penelitian
14
HASIL DAN PEMBAHASAN
31
Hasil Perancangan Reaktor
31
Hasil Pirolisis Plastik
36
Sebaran Suhu Pada Reaktor
39
Simulasi Kontur Suhu di dalam Reaktor
51
Validasi Simulasi CFD
54
SIMPULAN DAN SARAN
57
Simpulan
57
Saran
58
DAFTAR PUSTAKA
58
LAMPIRAN
62
DAFTAR TABEL
Nilai kalor dari plastik berbagai jenis plastik
Kondisi batas pada simulasi sebaran suhu dengan menggunakan
CFD
Komponen-komponen reaktor pirolisis plastik dan fungsinya
Perbandingan komponen pada perancangan struktural reaktor dengan
hasil pabrikasi reaktor
Pengaruh suhu pemanasan terhadap hasil pirolisis
Sebaran suhu terhadap posisi termokopel pada tingkat variasi
suhu pemanasan dengan kondisi steady state
Suhu pengukuran pada outlet reaktor dan outlet kondenser pada berbagai
tingkat suhu pemanasan dengan kondisi steady state
Sebaran suhu hasil simulasi CFD pada tingkat suhu dengan pemanasan
kondisi steady state
1
2
3
4
5
6
7
8
4
30
32
35
36
46
50
53
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Proses pirolis plastik untuk menghasilkan bahan bakar minyak
(Zhang 2007)
(a) Cross flow heat exchanger (b) Double pipe heat exchanger
(Holman 2010)
Profil suhu pada (a) Aliran berlawan pada alat penukar panas pipa
ganda. (b) Aliran parallel (Holman 2010)
Diagram blok pada perangkat lunak LabVIEW
Front panel pada perangkat lunak LabVIEW
Diagram alir tahapan penelitian
Diagram alir perancangan reaktor pirolisis plastik
Skema rancangan alat reaktor pirolisis plastik
Jarak antar termokopel terhadap tinggi reaktor
Timbangan digital
Titik-titik pengukuran menggunakan termokopel
(a) Data akuisisi National Instrument (b) Termokopel
(a) Trafo dan thermo control (b) Pemanas (c) Ceramic silicione
insulation
Skema tahapan simulasi
Gambar geometri reaktor menggunakan aplikasi Solidworks
Premium 12
Kondisi batas pada perancangan reaktor dengan menggunakan
aplikasi Gambit 2.4.6
Hasil pabrikasi reaktor
Plat unloading hasil pabrikasi
Tongkat pengait plat unloading
Diagram elektrik pada trafo (Sumber: PT Panasindo Jaya Mandiri)
Minyak yang dihasilkan pada proses pirolisis
6
10
11
13
13
14
16
17
18
23
24
25
25
27
28
29
33
34
34
35
37
DAFTAR GAMBAR (lanjutan)
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
Gas yang tidak terkondensasi pada pirolisis plastik
Reaksi kedua yang mengkonversi produk minyak (cair) menjadi solid
dan gas (FakhrHoseini and Dastanian 2013)
(a) Residu yang dihasilkan pada suhu pemanasan 250 (b) Residu
yang dihasilkan pada suhu pemanasan 450
(a) Residu berbentuk serbuk pada dinding reaktor bagian atas (b) Residu
berbentuk bubuk menyumbat lubang keluaran kondenser
Sebaran suhu di dalam reaktor pada awal pemanasan hingga suhu 250
Sebaran suhu di dalam reaktor pada awal pemanasan hingga suhu 300
Sebaran suhu di dalam reaktor pada awal pemanasan hingga suhu 350
Sebaran suhu di dalam reaktor pada awal pemanasan hingga suhu 400
Sebaran suhu di dalam reaktor pada awal pemanasan hingga suhu 450
Sebaran suhu pada suhu pemanasan 250
Sebaran suhu pada suhu pemanasan 300
Sebaran suhu pada suhu pemanasan 350
Sebaran suhu pada suhu pemanasan 400
Sebaran suhu pada suhu pemanasan 450
Sebaran suhu pada setiap tingkat variasi suhu pemanasan dengan kondisi
steady state
Suhu pengukuran pada outlet reaktor dan outlet kondenser pada suhu
pemanasan 250
Suhu pengukuran pada outlet reaktor dan outlet kondenser pada suhu
pemanasan 300
Suhu pengukuran pada outlet reaktor dan outlet kondenser pada suhu
pemanasan 350
Suhu pengukuran pada outlet reaktor dan outlet kondenser pada suhu
pemanasan 400
Suhu pengukuran pada outlet reaktor dan outlet kondenser pada suhu
pemanasan 450
Kontur sebaran suhu simulasi CFD pada tingkat pemanasan 250
Kontur sebaran suhu simulasi CFD pada tingkat pemanasan 300
Kontur sebaran suhu simulasi CFD pada tingkat pemanasan 350
Kontur sebaran suhu simulasi CFD pada tingkat pemanasan 400
Kontur sebaran suhu simulasi CFD pada tingkat pemanasan 450
Grafik validasi sebaran suhu hasil simulasi terhadap hasil
pengukuran pada suhu pemanasan 250
Grafik validasi sebaran suhu hasil simulasi terhadap hasil
pengukuran pada suhu pemanasan 300
Grafik validasi sebaran suhu hasil simulasi terhadap hasil
pengukuran pada suhu pemanasan 350
Grafik validasi sebaran suhu hasil simulasi terhadap hasil
pengukuran pada suhu pemanasan 400
Grafik validasi sebaran suhu hasil simulasi terhadap hasil
pengukuran pada suhu pemanasan 450
37
37
38
39
39
40
40
41
41
43
44
44
45
45
47
48
48
49
49
50
51
51
52
52
52
55
55
56
56
57
DAFTAR GAMBAR (lanjutan)
52
53
54
55
56
Perbandingan sebaran suhu pengujian dan simulasi CFD terhadap
ketinggian reaktor pada suhu pemanasan 250
Perbandingan sebaran suhu pengujian dan simulasi CFD terhadap
ketinggian reaktor pada suhu pemanasan 300
Perbandingan sebaran suhu pengujian dan simulasi CFD terhadap
ketinggian reaktor pada suhu pemanasan 350
Perbandingan sebaran suhu pengujian dan simulasi CFD terhadap
ketinggian reaktor pada suhu pemanasan 400
Perbandingan sebaran suhu pengujian dan simulasi CFD terhadap
ketinggian reaktor pada suhu pemanasan 450
67
67
68
68
69
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
Gambar teknik keseluruhan sistem pada reaktor
Gambar teknik reaktor
Gambar teknik tutup reaktor
Gambar teknik kondenser
Laju kenaikan suhu pada awal pemanasan reaktor
Perbandingan sebaran suhu antara pengujian dan simulasi CFD terhadap
ketinggian reaktor
62
63
64
65
66
67
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Plastik telah menjadi bagian tak terpisahkan dari dunia saat ini karena
sifatnya yang ringan, memiliki daya tahan, ditambah dengan tingkat produksi
yang cepat dan fleksibilitas dalam desain (Mohapatra and Singh 2008).
Permintaan plastik terus meningkat karena aplikasi plastik yang beragam dan
dapat digunakan pada sektor rumah tangga maupun industri (Patni et al. 2013).
Produksi plastik dunia terus meningkat dari 80 juta ton pada tahun 1990 menjadi
260 juta ton pada tahun 2007 (Kpere-Daibo 2009) dan diperkirakan akan
mengalami kenaikan sebesar 5% setiap tahun (Al-Salem et al. 2010). Peningkatan
jumlah limbah plastik tersebut menimbulkan permasalahan besar bagi lingkungan
(Miskolczi and Nagy 2012). Yoshioka et al. (2004) menjelaskan, plastik yang
paling sering digunakan adalah polyethylene (PE), polyethylene terephthalate
(PET), polypropylene (PP) dan polyvinyl chloride (PVC).
Saat ini ada 3 cara untuk memanfaatkan limbah plastik yaitu; landfilling,
insinerasi dengan atau tanpa energy recovery dan daur ulang (recycling) (Sarker et
al. 2012). Landfilling dan insinerasi tidak dapat menjadi solusi dari permasalahan
limbah plastik dikarenakan landfilling membutuhkan area yang sangat luas dan
sangat mahal, dan inisinerasi menimbulkan emisi yang berbahaya seperti nitrogen
oksida, sulfur dioksida, karbon dioksida dan banyak lainnya (Sarker et al. 2012).
Proses pirolisis plastik menjadi cara yang paling potensial yang dapat digunakan
untuk mengkonversi limbah plastik menjadi bahan kimia yang berguna dan bahan
bakar minyak (Arabiourrutia et al. 2012). Pirolisis merupakan dekomposisi dari
material tanpa adanya oksigen atau sedikit oksigen (Brems et al. 2012). Pada
penelitian yang dilakukan Siddiqui dan Redwhi (2009), pirolisis dapat mereduksi
sampah plastik campuran hingga 90%. Pirolisis plastik menghasilkan tiga jenis
produk yaitu, produk cair (minyak), gas dan residu padat (Bajus and Hájeková
2010).
Telah banyak penelitian yang melaporkan proses pirolisis plastik dan
menjelaskan mengenai reaksi dekomposisi yang terjadi di dalamnya, namun pada
dasarnya banyak penelitian tersebut yang hanya difokuskan pada proses pirolisis
(degradasi) dari plastik/polimer saja (Ademiluyi and Adebayo 2007; Ademiluyi
and Akpan 2007; Sumarni dan Purwanti 2008; Encinar and González 2008;
Mohapatra and Singh 2008; Bajus and Hájeková 2010; Sarker et al. 2011;
Ramdhan dan Ali 2012; Sarker et al. 2012a; Sarker et al. 2012b). Tidak hanya itu
sebagian besar penelitian tersebut dilakukan pada skala lab dan hanya sedikit
informasi yang tersedia mengenai proses pindah panas di dalamnya. Begitu
banyak parameter yang sangat mempengaruhi jumlah dan kualitas produk hasil
pirolisis plastik; suhu, waktu pirolisis, pengaruh katalis dan pindah panas. Pindah
panas seringkali diabaikan pada banyak percobaan mengenai pirolisis plastik yang
dilakukan pada skala lab, padahal pindah panas sangat mempengaruhi proses
pirolisis plastik dan pada skala besar (industri) proses pindah panas perlu
dipertimbangkan untuk proses optimasi produk (Csukás et al. 2012).
Pindah panas sangat dibutuhkan untuk melakukan pemecahan termal
(thermal cracking) dan merupakan parameter kunci pada proses pirolisis. Salah
2
satu yang mempengaruhi pindah panas adalah jenis reaktor yang digunakan.
Reaktor merupakan salah satu elemen penting pada teknologi pirolisis plastik,
karena panas dalam jumlah yang besar perlu dipindahkan (pindah panas) melalui
dinding reaktor untuk memastikan terjadinya proses pirolisis plastik (Csukás et al.
2012). Reaktor digunakan untuk menentukan kualitas dari pindah panas, waktu
proses dari fase gas dan fase cair dan keluaran dari produk utama (Panda et al.
2010). Oleh sebab itu, mengetahui proses pindah panas yang terjadi di dalam
reaktor sangat dibutuhkan untuk mendesain sebuah reaktor, optimasi dan prosedur
scale-up (Csukás et al. 2012). Karakteristik dan proses pindah panas di dalam
reaktor dapat diperoleh dengan melakukan eksperimen. Eksperimen sangat
diperlukan dikarenakan pindah panas tidak diamati pada sebagian besar percobaan
pada skala lab (Csukás et al. 2012), sehingga informasi mengenai pindah panas
tersebut sangat sedikit. Eksperimen dilakukan sesuai dengan kondisi pada
penelitian pirolisis plastik yang telah dilakukan pada penelitan sebelumnya
sehingga diperoleh data eksperimen. Data sebaran suhu dibutuhkan terkait dengan
produk yang dihasilkan dari proses pirolisis. Data ekperimen yang diperoleh
digunakan untuk membuat model simulasi dari reaktor pirolisis plastik. Model
simulasi inilah yang nantinya dapat digunakan sebagai dasar untuk melakukan
perancangan reaktor pirolisis plastik pada skala besar.
Pada penelitian ini dilakukan pemodelan sebaran suhu di dalam reaktor
selama proses pirolisis berlangsung dengan menggunakan simulasi Computational
Fluid Dyanamics (CFD). Reaktor pirolisis plastik yang dilengkapi dengan
kondenser dirancang dan dibuat sebagai experimental set-up untuk mendapatkan
data eksperimen dari percobaan menggunakan reaktor tersebut. Data berupa
sebaran suhu di dalam reaktor digunakan untuk mengetahui kontur sebaran suhu.
Hasil pemodelan simulasi sebaran suhu inilah yang dapat digunakan sebagai dasar
perancangan reaktor pirolisis plastik pada penelitian selanjutnya.
Perumusan Masalah
Peningkatan jumlah plastik yang begitu besar menyebabkan permasalahan
lingkungan. Ada tiga cara pengendalian plastik yang dijelaskan oleh Sarker et al.
(2012) dan pirolisis plastik menjadi salah satu alternatif untuk mereduksi jumlah
limbah sampah plastik. Proses pirolisis plastik dapat menghasilkan tiga jenis
produk yaitu padat, gas dan cair yang berupa bahan bakar minyak. Begitu banyak
penelitian yang melaporkan proses pirolisis plastik, namun pada dasarnya
penelitian tersebut hanya difokuskan pada proses pirolisis (degradasi)
plastik/polimer saja. Penelitian yang dilakukan tersebut sebagian besar dilakukan
pada skala lab dan analisa pindah panas seringkali diabaikan pada banyak
percobaan mengenai pirolisis plastik yang dilakukan pada skala lab, padahal
pindah panas sangat mempengaruhi proses pirolisis plastik dan pada skala besar
(industri) proses pindah panas perlu dipertimbangkan untuk proses optimasi.
Reaktor merupakan salah satu elemen penting pada teknologi pirolisis plastik,
karena panas dalam jumlah yang besar perlu dipindahkan (pindah panas) melalui
dinding reaktor untuk memastikan terjadinya proses pirolisis plastik. Eksperimen
diperlukan untuk mendapatkan karakteristik pindah panas dalam reaktor.
Eksperimen sangat diperlukan dikarenakan minimnya informasi mengenai
karakteristik pindah panas di dalam suatu reaktor. Eksperimen dilakukan sesuai
3
dengan kondisi pada penelitian pirolisis plastik yang telah dilakukan sebelumnya
sehingga diperoleh eksperimen data yang dapat digunakan untuk membuat model
simulasi dari reaktor pirolisis plastik.
Reaktor dirancang dan dibuat untuk digunakan sebagai experimental set-up.
Sasaran utama dari penelitian ini adalah untuk mempelajari sebaran suhu yang
terjadi selama proses pirolisis plastik dan membuat model simulasi kontur suhu di
dalam reaktor. Data eksperimen yang diperoleh dari percobaan dengan
experimental set-up (reaktor pirolisis plastik) merupakan data sebaran suhu
selama pirolisis plastik. Data sebaran suhu tersebut nantinya akan digunakan
untuk membuat model kontur suhu dengan menggunakan (CFD) dan digunakan
melakukan validasi dari model tersebut. CFD digunakan sebagai media analisis
numerik karena dapat melakukan perhitungan secara cepat sehingga dapat
mengefisiensikan waktu (Tuakia 2008). Hasil yang diperoleh dari model simulasi
CFD yaitu berupa kontur suhu dari proses pirolis plastik dengan kondisi yang
digunakan adalah kondisi steady state. Model simulasi tersebut yang nantinya
dapat digunakan sebagai dasar perancangan reaktor pirolisis plastik.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah membuat model simulasi sebaran suhu
pada reaktor pirolisis plastik dengan aplikasi (CFD) dengan kondisi steady state,
dan melakukan analisa sebaran suhu yang terjadi selama proses pirolisis
berlangsung. Guna mendapatkan model kontur suhu dengan CFD dan validasi
hasil model CFD, maka reaktor pirolisis plastik dirancang dan dibangun untuk
dijadikan sebagai experimental set-up. Model simulasi yang diperoleh
menggambarkan kontur dan pola sebaran suhu selama proses pirolisis plastik di
dalam reaktor. Diharapkan melalui penelitian ini diperoleh model kontur sebaran
suhu yang dapat digunakan untuk perancangan reaktor pirolisis plastik.
TINJAUAN PUSTAKA
Plastik
Plastik adalah suatu polimer yang mempunyai sifat-sifat unik dan luar biasa.
Polimer adalah suatu bahan yang terdiri dari unit molekul yang disebut monomer
(Mujiarto 2005).
Menurut Mujiarto (2005) secara garis besar, plastik dapat dikelompokkan
menjadi dua golongan, yaitu: plastik thermoplast dan plastik thermoset. Plastik
thermoplast merupakan plastik yang dapat dicetak berulang-ulang dengan bantuan
panas, dan yang termasuk plastik thermoplast antara lain: PE, PP, PS, ABS, SAN,
nylon, PET, BPT, Polyacetal (POM), PC dll. Plastik thermoset adalah plastik
yang apabila telah mengalami kondisi tertentu tidak dapat dicetak kembali karena
bangun polimernya berbentuk jaringan tiga dimensi, yang termasuk plastik
thermoset adalah: PU (Poly Urethene), UF (Urea Formaldehyde), MF (Melamine
Formaldehyde), polyester, epoksi, dsb.
4
Polypropylene (PP)
Menurut Andrady dan Anthony (2003) polypropylene (PP) dibuat dari
polimerisasi monomer propylene pada proses dengan tekanan rendah
(CH2=CHCH3). PP sering diaplikasikan pada pembuatan karpet dan batere, selain
itu PP juga selain itu juga PP sering diaplikasikan pada hiasan mobil, cashing
accumulator, botol dan tas.
Tabel 1 Nilai kalor dari berbagai jenis plastik
Material
Nilai kalor (MJ/kg)
Polyethylene
46.3
Polypropylene
46.4
Polystyrene
41.4
Polyvinyl chloride
18.0
Sumber : (Baines 1993)
Polyethylene (PE)
Menurut Andrady dan Anthony (2003) polyethylene merupakan jenis plastik
yang paling banyak digunakan di dunia. Homopolimer dari polietilena memiliki
struktur paling sederhana dibanding dengan polimer lainnya (CH2=CH2).
Berdasarkan pada karakteristik bulk density PE dibagi menjadi tiga jenis yaitu
Low-density polyethylene (LDPE), High-density polyethylene (HDPE) dan Linear
low-density polyethylene (LLDPE).
HDPE memiliki struktur yang paling sederhana diantara ketiga jenis plastik
PE. HDPE memiliki tingkat tertinggi kristalinitas dalam polietilena. Memiliki
berat molekul yang cukup tinggi untuk mendapatkan tingkat kristalinisasi yang
tinggi pada 70-95 % dan memiliki kerapatan 0.941-0.965 g/cm3. LDPE memiliki
kerapatan sekitar 0.910-0.930 g/cm3 dan kristalinisasi sekitar 40-60%. LDPE
memiliki titik leleh pada suhu 110-115 (Andrady dan Anthony 2003).
Polyethylene Terephthalate (PET)
Menurut Andrady dan Anthony (2003) Polyethylene terephtalate yang
sering disebut PET merupakan polimer kondesasi yang terbuat dari ethylene
glycol (EG) dan terephtalic acid (TPA) atau dimetil ester atau asam terepthalat
(DMT). PET merupakan keluarga polyester seperti halnya PC. PET memiliki daya
serap uap air yang rendah, demikian juga daya serap terhadap air. PET sering
diaplikasikan pada botol - botol untuk air mineral, soft drink, sirup, dsb.
Polyvinyl Chloride (PVC)
Menurut Andrady dan Anthony (2003) PVC merupakan jenis plastik kedua
yang paling sering digunakan di dunia setelah polietilena. PVC dibentuk melalui
polimerisasi vinyl chloride monomer (VCM) (CH2=CH-Cl). VCM merupakan
volatile dengan suhu didih pada 13.4
dan menimbulkan polusi udara yang
berbahaya. PVC umumnya digunakan untuk pipa dan plumbing (pemasangan pipa
saluran air) karena tahan lama, tidak berkarat dan lebih murah dari pipa besi.
Pirolisis
Pirolisis adalah proses degradasi termal dari material tanpa adanya oksigen
atau dalam keadaan kekurangan oksigen. Pirolisis dibagi menjadi dua tingkatan
proses, yaitu pirolisa primer dan pirolisa sekunder. Pirolisa primer adalah pirolisis
5
yang terjadi pada bahan baku (umpan), sedangkan pirolisa sekunder adalah
pirolisis yang terjadi atas partikel dan gas/uap hasil pirolisa primer. Menurut
Katyal (2007) dan Singh et al. (2011) pirolisis konvensional (pirolisis lambat) di
bawah tingkat pemanasan rendah dengan hasil berupa padat, cair, dan produk gas
dalam porsi yang signifikan, proses ini digunakan untuk menghasilkan arang.
Pirolisis cepat dikaitkan dengan tar, pada suhu rendah 850-1250 K dan atau
gas pada suhu tinggi 1050-1300 K. Saat ini teknologi ini disukai karena cepat
pada suhu tinggi dengan waktu tinggal yang sangat singkat. Pirolisis cepat (lebih
akurat didefinisikan sebagai thermolysis) adalah suatu proses di mana materi,
seperti biomassa, dengan cepat dipanaskan sampai suhu tinggi tanpa adanya
oksigen didasarkan pada Singh et al. (2011) dan Demirbas (2009).
Paris et al. (2005) mengatakan bahwa pirolisis merupakan proses dari
pembakaran tidak sempurna pada proses pengarangan dengan menggunakan suhu
tinggi pada bahan-bahan yang mengandung karbon. Pada umumnya proses
pirolisis menggunakan reaktor yang terbuat dari baja, sehingga bahan yang akan
dipirolisis tidak melakukan kontak langsung dengan oksigen. Pada umumnya
proses pirolisis berlangsung pada suhu diatas 300
dalam waktu 4-7 jam.
Namun keadaan ini sangat bergantung pada bahan baku dan cara pembuatannya
(Demirbas 2005).
Menurut Goyal et al. (2006), proses pirolisis secara umum dikategorikan
menjadi beberapa tipe, yaitu:
1. Pirolisis lambat (Slow Pyrolysis)
Pirolisis yang dilakukan pada tingkat pemanasan yang lambat (5-7
K/min). Pirolisis ini menghasilkan cairan yang sedikit sedangkan gas dan
arang lebih banyak dihasilkan.
2. Pirolisis cepat (Fast Pyrolysis)
Pirolisis cepat biasanya digunakan untuk menghasilkan bio-oil dengan
kualitas yang tinggi. Sedangkan menurut Bridgewater (2012) Pirolisis cepat
material terurai dengan sangat cepat dan menghasilkan sebagian besar uap
dan sedikit gas dan arang. Suhu reaksi sekitar 500
dengan waktu reaksi
kurang dari 2 s, produk utama bio-oil yang diperoleh dari pirolisis cepat
mencapai 75%.
3. Pirolisis kilat (Flash Pyrolysis)
Proses pirolisis ini berlangsung hanya beberapa detik saja. Proses
pirolisis kilat membutuhkan suhu reaksi yang sangat tinggi.
4. Pirolisis katalitik
Pirolisis katalitik adalah proses pirolisis yang menggunakan katalisator.
Katalisator pada pirolisis diperkenalkan untuk meningkatkan kualitas minyak
yang dihasilkan. Minyak yang dihasilkan dengan pirolisis katalis tidak
memerlukan kembali teknik peningkatan kualitas lagi seperti kondensasi
ulang dan evaporasi ulang. Gambar 1 memperlihatkan proses pirolisis untuk
menghasilkan bahan bakar minyak.
6
Waste plastic
Fuel gas
Catalyst
Gas
Condenser
Plastic Knapper
Gasoline
Pyrolysis
reactor
Mixed oil
Diesel oil
Gambar 1 Proses pirolis plastik untuk menghasilkan bahan bakar minyak
(Zhang 2007)
Sistem Pindah Panas
Pindah panas adalah perpindahan energi dari suatu bidang kebidang yang
lain dengan disertai perubahan suhu pada dua bidang tersebut (McCabe et al.
2005). Pindah panas dapat terjadi dengan 3 metode, yaitu konduksi, konveksi dan
radiasi. Pindah panas pada pipa yang dipanaskan secara langsung akan mengalami
proses konduksi dan konveksi.
Konduksi
Konduksi dalam suatu bahan mengalir terdapat gradien suhu, maka kalor
akan mengalir tanpa disertai oleh sesuatu gerakan zat. Aliran kalor tersebut
disebut dengan konduksi (McCabe et al. 2005).
Menurut Holman (2010) secara umum besaran kalor dapat dalam konduksi
dapat dihitung melalui persamaan (1):
dT
(1)
q = - kA
dr
Besarnya nilai
dipengaruhi bentuk bidang tempat pindah panas terjadi.
Pada silinder berlubang nilainya dapat dicari dengan persamaan (2):
dT
=
dr
1
r
ln o
ri
Ti To
(2)
Oleh karena itu, dari persamaan di atas maka besarnya kalor yang
dipindahkan pada bidang silinder berlubang atau pipa dapat ditentukan dengan
persamaan (3):
q=
q
2klTi To
r
ln o
ri
: Pindah panas secara konduksi (joule)
: Jari-jari dalam pipa (m)
(3)
7
l
k
(
)
: Jari-jari luar pipa (m)
: Panjang pipa (m)
: Konduktivitas panas (watt/mK)
: Perbedaan pipa luar dan pipa dalam (K)
Konveksi
Konveksi arus partikel-partikel utama pembentuk fluida melintas suatu
permukaan tertentu, seperti umpamanya, bidang batas suatu volume kendali arus
akan ikut membawa serta jumlah tertentu entalpi. Aliran entalpi tersebut disebut
dengan konveksi. (McCabe et al. 2005). Menurut Holman (2010) nilai kalor yang
dipindahkan melalui konveksi dapat menggunakan persamaan (4):
q = hA(Ts - T )
q
h
A
(4)
: Kalor yang dipindahkan (watt)
: Koefisien pindah panas konveksi (watt/m2K)
: Luas permukaan dinding (m2)
: Perbedaan suhu dinding dengan suhu fluida (K)
Menurut Lienhard IV dan Lienhard V (2003) konveksi dapat dibedakan
menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Konveksi bebas adalah
perpindahan panas yang terjadi di mana aliran fluida bergerak dengan pengaruh
gravitasi tanpa pengaruh eksternal yang lain. Sedangkan konveksi paksa adalah
proses pindah panas di mana fluida bergerak dengan disengaja dan diatur
kecepatan dan debitnya.
Menurut Lienhard IV dan Lienhard V (2003) konveksi pada pipa
dipengaruhi oleh bilangan reynold yang dapat dicari dengan persamaan (5):
Re =
Re
Ρ
V
D
ρVD
(5)
: Bilangan reynold
: Densitas (kg/m3)
: Kecepatan aliran (m/detik)
: Diameter pipa pemanas air (m)
: Viskositas dinamik (kg/ms)
Perhitungan tradisional untuk menghitung pindah panas secara konveksi
paksa dengan aliran turbulen di dalam pipa dapat digunakan dengan menggunakan
persamaan (6):
Nu d = 0.023 Re 0.8Pr n
(6)
Persamaan tersebut berlaku jika memenuhi syarat sebagai berikut
(Lienhard IV dan Lienhard V 2003) :
1. Semua nilai dari sifat panas fluida berdasarkan suhu rata-rata
2. Nilai n = 0.3 jika fluida didinginkan, sedangkan nilai n = 0.4 jika fluida
dipanaskan.
3. Nilai Re harus lebih besar dari 104
4. Nilai Pr terletak antara 0.6 sampai 100
5. Perbandingan antara L dengan D lebih dari 60
8
Nilai Pr (Prandtl Number) berfungsi sebagai penghubung antara kecepatan
dengan suhu pada pindah panas, dan dapat ditentukan dengan persamaan (7):
Pr =
Cp
ρ
=
=
k ρCp
k
(7)
Nilai koefisien pindah panas secara konveksi dapat dihitung melalui
persamaan (8) (Lienhard IV dan Lienhard V 2003) :
Nu d
hk
D
h
k
D
(8)
: Nusselt Number
: Koefisien pindah panas secara konveksi (W/m2K)
: Koduktivitas panas fluida (W/mK)
: Diameter pipa (m)
Menurut Holman (2010) dalam buku Heat Transfer Tenth Edition pada
konveksi natural pergerakan fluida terjadi secara natural atau yang biasa disebut
dengan buoyancy. Densitas merupakan fungsi dari tempertaur, variasi dari
densitas pada tekanan konstan dapat dinyatakan dalam koefisien volume ekspansi
β. Pada gas ideal β dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (9):
1
(9)
β
T
T = Suhu dalam Kelvin
Besarnya nilai konveksi secara natural dapat ditung dengan menggunakan
persamaan (10):
Nu f C Gr Pr m
f
Nu
Gr
Pr
C dan m
f
(10)
: Nusselt number
: Grashof number
: Prandtl number
: Konstanta pada setiap kasus
Besarnya nilai Nuf pada pipa horizontal dengan aliran laminar pada 103 <
(Pr.Gr) < 109 dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (11):
Nu f = 0.54 (GrPr)0.25
(11)
dengan nilai Grashof dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (12):
Gr =
Gr
β
x
βg Tw T x 3
2
: Grashof number
: Koefisien volume ekspansi (1/K)
: Suhu pemanasan bahan (K)
: Suhu di dinding (K)
: Diameter (m)
: Viskositas kinematik (m2/s)
(12)
9
Suhu rata-rata pindah panas yang terjadi dapat dihitung dengan persamaan
(13):
Tf =
T Tw
2
......................................... (13)
: Suhu rata-rata (K)
: Suhu pemanasan bahan (K)
: Suhu di dinding (K)
Kondensasi dan Kondenser
Kondenser merupakan sebuah alat penukar panas (heat exchanger) yang
berfungsi mengkondensasikan fluida kerja. Kondensasi terjadi jika suhu dari
bahan dibawah suhu saturasi dari gas, kemudian pada gas terjadi perubahan fase
menjadi cair.
Terdapat dua jenis kondensasi yang terjadi pada proses kondensasi di dalam
kondenser, yaitu kondensasi lapisan (film) dan kondensasi titik (droplet). Pada
kondensasi lapisan, proses terjadinya dimulai dengan timbulnya lapisan film yang
menyelubungi dinding-dinding sebelah dalam pipa dan semakin lama akan
menjadi lapisan tebal serta akhirnya mengalir akibat pengaruh gravitasi. Pada
kondensasi titik, proses kondensasi terjadi dengan dimulainya titik-titik yang
akhirnya berubah dan berkembang menjadi tetesan-tetesan cairan dan jatuh dari
permukaan akibat dari gravitasi (Holman 2010).
Terdapat berbagai jenis heat exchanger yang terdapat dipasaran, yaitu shell
and tube heat exchanger, cross flow heat exchanger dan double pipe heat
exchangers. Ketiga alat penukar panas tersebut memiliki fungsi yang berbedabeda. Contohnya pada cross flow heat exchanger biasanya digunakan pada proses
pemanasan dan pendinginan udara ataupun gas sedangkan pada shell and tube
heat exchangers sering diaplikasikan pada penerapan bioteknologi. Berbagai
macam alat penukar panas dapat dilihat pada Gambar 2.
Menurut Rohsenow (1973) dalam Holman (2010) nilai dari koefisien pindah
panas dari kondensasi lapisan yang terjadi pada pipa horizontal dengan aliran
laminar dapat diketahui dengan persamaan:
ρρ ρ g hfg k
(14)
h 0.725
1 4
d
T
T
g
w
h
: Koefisien pindah panas (W/m )
: Densitas (kg/m3)
g
: Gravitasi (m/s2)
hfg
: Evaporasi entalpi (kJ/kg)
: Viskositas dinamik (kg/ms)
d
: Diameter (m)
: Suhu saturasi
: Suhu di dinding
12
Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fakultas
Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Seluruh kegiatan uji kinerja
dilakukan di Laboratorium Teknik Energi Terbarukan Laboratorium, Lapangan
Bersama Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fakultas
Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
Alat dan Bahan
Rincian alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai
berikut:
1. Pembuatan reaktor pirolisis plastik
Alat : Las listrik, las asitelin, las kuningan, gerinda tangan, palu, gergaji
mesin.
Bahan :
1. Badan reaktor berupa pipa besi dengan ketebalan 6 mm dan diameter
0.31 m
2. Tutup reaktor berupa plat besi dengan tebal 5 mm dengan diameter 0.41
m
3. Tutup bagian bawah reaktor berupa plat dengan ketebalan 5 mm dan
diameter 0.31 m
4. Lubang termokopel terbuat dari double naple dengan bahan kuningan
dengan ukuran 3/8 inch.
5. Lubang keluar gas terbuat dari double naple dengan bahan kuningan
dengan ukuran 3/8 inch.
6. Plat unloading bagian dasar reaktor dengan diameter 0.31 m dengan
ketebalan 0.8 mm
7. Sealer gasket untuk mencegah kebocoran gas pada tutup reaktor terbuat
dari paking klingrit dengan tebal 5 mm dan diameter 0.41 m.
2. Pembuatan kondenser berpendingin udara
Alat : Seperangkat alat pembentuk pipa tembaga
Bahan :
1. Pipa tembaga ukuran 3/8 inch dengan panjang total pipa tembaga adalah
2.7 m.
2. Pipa tembaga L dengan ukuran 3/8 inch.
3. Pengujian alat
Alat :
1. Perangkat komputer merk ASUS tipe A43S untuk proses perekaman data
dan pengolahan data.
2. Trafo 50 kVA dengan thermo control milik PT Panasindo Jaya Mandiri.
3. Thermocouple batang tembaga tipe K merupakan sensor untuk
melakukan pengukuran sebaran suhu selama proses pirolisis yang
dihubungkan dengan data akuisisi.
4. Data akuisisi National Instrument untuk membaca dan merekam data
suhu selama proses pengukuran sebaran suhu yang terhubung langsung
kepada komputer. Pembacaan dan perekaman suhu dilakukan setiap 2
detik. Pembuatan diagram blok pada perangkat lunak LabVIEW, diagram
blok diperlukan sebagai flow chart skema pembacaan suhu pada data
13
akuisisi. Kemudian hasil dari skema digram blok dapat dilihat pada front
panel. Front panel menunjukkan data dalam bentuk digital dan grafik.
Diagram blok pada aplikasi LabVIEW dapat dilihat pada Gambar 4.
Front panel dapat dilihat pada Gambar 5.
5. Timbangan digital untuk mengukur bahan baku plastik yang dimasukkan
ke dalam reaktor dan mengukur jumlah minyak dan residu yang
dihasilkan.
Bahan : Sampah botol plastik bekas (PET) yang diperoleh dan dikumpulkan
dari sekitar Dramaga, Bogor. Botol plastik kemudian dibersihkan dan
dipotong dengan ukuran 2-5 mm.
Gambar 4 Diagram blok pada perangkat lunak LabVIEW
Gambar 5 Front panel pada perangkat lunak LabVIEW
14
Tahapan Penelitian
Penelitian diawali dengan pengumpulan informasi yaitu dengan cara studi
literatur yang berkaitan dengan sifat fisik dari botol plastik (PET), karakteristrik
proses pirolisis plastik, proses kondensasi dan proses pindah panas. Studi literatur
juga dilakukan untuk menentukan kriteria desain yang akan digunakan pada
proses perancangan reaktor yang digunakan dalam experimental set-up. Analisis
teknik dilakukan untuk menentukan dimensi dan ukuran dari reaktor. Perancangan
reaktor menggunakan perangkat lunak SolidWorks Premium 2012 sehingga
dihasilkan gambar teknik agar dapat memudahkan dalam proses pabrikasi. Proses
pabrikasi dan pengujian alat dilakukan kemudian.
Uji kinerja alat bertujuan untuk mengetahui kinerja alat yang sudah
dirancang apakah sudah berfungsi sebagaimana diharapkan. Uji kinerja reaktor
hanya sebatas untuk mengetahui sebaran suhu di dalam reaktor. Data yang
diperoleh dari uji kinerja (eksperimen) digunakan untuk melakukan simulasi
model kontur suhu dengan menggunakan CFD. Secara garis besar tahapan
penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 6.
Mulai
Identifikasi Masalah
Studi Literatur
Persiapan Sistem
Simulasi
Persiapan Peralatan
Eksperimen
Simulasi
Eksperimen / Observasi
Verifikasi Data
Selesai
Gambar 6 Diagram alir tahapan penelitian
Tahapan penelitian secara lengkap akan dijelaskan pada bagian di bawah ini:
1. Identifikasi masalah
Identifikasi masalah dilakukan untuk mengetahui permasalahan yang terjadi
di lingkungan secara umum yang terkait dengan bidang penerapan energi
terbarukan dan menemukan kemungkinan pemecahan masalah atau solusi yang
dapat dilakukan untuk dijadikan bahan penelitian.
15
2. Pengumpulan informasi dan studi literatur
Pengumpulan informasi dan studi literatur dimaksudkan untuk mempelajari
penelitian-penelitian sebelumnya yang diperoleh dari sumber buku, jurnal baik
pada jurnal nasional maupun internasional yang terkait dengan permasalahan yang
ditemukan dan solusi dari pemacahan masalah tersebut. Pada penelitian ini studi
literatur diperlukan untuk mengetahui dari sifat fisik dan kimia dari plastik
minuman botol bekas (PET), mengetahui bagaimana proses pirolisis plastik
berlangsung, mengetahui prinsip dari kondensasi sehingga plastik mengalami
perubahan fase dan berubah menjadi minyak/bahan bakar, mengetahui sistem
pindah panas pada reaktor. Selain itu studi literatur juga diperlukan untuk
mengetahui prinsip-prinsip simulasi CFD dan mengetahui karakteristik dari
kondisi batas yang diperlukan untuk simulasi sebaran suhu pada CFD.
3. Penentuan kriteria perancangan
Reaktor hasil perancangan dimaksudkan sebagai experimental set-up untuk
mendapatkan data berupa sebaran suhu. Data tersebut nantinya digunakan dalam
pemodelan simulasi dengan CFD dan validasi dari model yang dihasilkan
tersebut.
Perancangan reaktor pirolisis plastik ini mengikuti bentuk reaktor sederhana
pada umumnya yang berbentuk silinder dengan dimensi tinggi pada reaktor di
dasarkan pada pertimbangan metode pengambilan data dari sebaran suhu dengan
metode grid pada satu dimensi yaitu dimensi y dengan kondisi steady state.
Penentuan kriteria perancangan ditentukan berdasarkan prinsip kerja alat yang
akan dibuat, dilakukan dengan menentukan kriteria dasar reaktor. Pemanas
digunakan untuk memanaskan plastik yang terdapat di dalam reaktor. Suhu
pemanasan dikontrol oleh thermo control dan di set dengan suhu 250 , 300 ,
350 , 400
dan 450 . Lima suhu pemanasan tersebut didasarkan pada
penelitian yang dilakukan sebelumnya oleh Ademiluyi and Akpan (2007) dan
penelitian yang dilakukan oleh Ramadhan dan Ali (2012).
Kondenser digunakan untuk menangkap gas yang dihasilkan selama proses
pirolisis plastik dan mengubahnya menjadi bentuk cair. Kondenser yang
dihasilkan pada perancangan ini didasarkan pada kebutuhan suhu distilasi dari gas
yang dihasilkan pada proses pirolisis plastik untuk menghasilkan bahan bakar
minyak yaitu pada suhu 40-360 (Ademiluyi and Akpan 2007).
4. Perancangan
Perancangan meliputi rancangan fungsional untuk menentukan fungsi dari
komponen utama dari reaktor dan rancangan struktural untuk menentukan bentuk
dan tata letak dari komponen utama. Diagram alir perancangan reaktor pirolisis
plastik dapat dilihat pada Gambar 7.
1) Rancangan Fungsional Alat
Rancangan fungsional alat terdiri dari:
a. Reaktor
b. Kondenser
c. Pemanas (heater)
16
Mulai
Data dan informasi
penunjang
Identifikasi masalah
Pengumpulan informasi dan
Studi literatur
Penentuan kriteria perancangan
Perancangan fungsional dan struktural
Analisis/perhitungan gambar teknik dan gambar kerja
Gambar teknik
Fabrikasi
Uji fungsional
Tidak
Modifikasi
Berhasil?
Ya
Uji kinerja dan struktural alat
Pengolahan data
Selesai
Gambar 7 Diagram alir perancangan reaktor pirolisis plastik
2) Rancangan Struktural Alat
Rancangan struktural pada penelitian ini adalah :
a. Reaktor
Reaktor berbentuk silinder dengan dilengkapi dengan lubanglubang termokopel untuk pengukuran suhu. Pada tutup reaktor
dilengkapi dengan lubang keluaran gas hasil pirolisis sebagai tempat
keluarnya gas yang terhubung langsung dengan kondenser. Pada saat
proses pirolisis plastik reaktor juga diselimuti dengan insulasi ceramic
silicone untuk mengurangi pindah panas yang keluar dari dalam
reaktor menuju lingkungan.
17
b. Kondenser
Kondenser pada sistem ini merupakan kondenser berpendingin
udara yang terbuat dari pipa tembaga dan dilengkapi dengan double
naple untuk memudahkan instalasi antara reaktor dengan kondenser.
c. Pemanas (heater)
Sumber energi listrik dibutuhkan untuk melakukan pemanasan.
Pemanas dilengkapi dengan trafo dan kontaktor serta thermo control.
Thermo control digunakan untuk melakukan kontrol terhadap suhu
pemanasan di dalam reaktor. Pemanas diletakkan diluar reaktor
dengan tinggi pemanas 20 cm dari dasar reaktor. Skema rancangan
alat reaktor pirolisis plastik dapat dilihat pada Gambar 7.
C
F
A
B
D
E
Gambar 8 Skema rancangan alat reaktor pirolisis plastik
Keterangan gambar:
A : Reaktor
D : Data akuisisi
B : Pemanas (heater)
C : Kondenser
E : Komputer
F : Termokopel
Gambar 8 memperlihatkan cara kerja dari sistem pada reaktor pirolisis
plastik. Cara kerja alat tersebut adalah pemanas (heater) memanaskan tabung
reaktor dari luar. Pemanas (heater) terhubung dengan trafo dan kontaktor sebagai
pemutus dan penyambung arus. Panas di dalam reaktor dikontrol oleh thermo
control yang terhubung langsung dengan trafo. Plastik yang dipanaskan akan
berubah wujud menjadi cair kemudian menjadi gas dan gas tersebut keluar
melalui lubang keluaran yang terdapat di atas reaktor yang terhubung dengan
kondenser berpendingin udara. Gas yang melalui kondenser mengalami
19
Sehingga dari data-data tersebut dapat diperoleh dimensi dari diamater
reaktor, dengan menggunakan persamaan (22). Kemudian untuk
memperoleh tinggi dari reaktor dapat menggunakan rumus volum tabung
pada persamaan (23).
ρ
m
v
16 kg m 3
(22)
1.5kg
v
= 0.119 m3
v
1
d 2 t
4
(23)
Jika tinggi reaktor yaitu 1 m maka diperoleh diameter dari reaktor yaitu:
= 0.34 m
b. Kondenser
Kondenser berfungsi untuk menangkap gas hasil pirolisis plastik dan
mengkondensasikan asap tersebut menjadi bentuk cair. Kondenser yang
dirancang terbuat dari pipa tembaga 3/8 inch. Pemilihan bahan dan ukuran
diameter pipa berdasarkan ketersediaan bahan pada Lab. Energi dan
Elektrifikasi Pertanian.
Panjang kondenser menjadi penentu apakah gas hasil pirolisis plastik
dapat dikondensasikan menjadi bentuk cair. Guna mengkondensasikan gas
hasil pirolisis plastik dibutuhkan nilai dari overall heat transfer coefficient.
Penentuan nilai overall heat transfer coefficient berdasarkan fenomena
pindah panas yang terjadi pada kondenser, terdapat tiga buah fenomena
yang terjadi pada sistem kondenser yang dirancang: konveksi natural pada
bagian luar kondenser, konduksi antara gas hasil pirolisis plastik dengan
bagian kondenser dan yang terakhir adalah kondensasi yang terjadi di dalam
kondenser. Gas yang terbentuk selama proses pirolisis plastik dianggap
memiliki karateristik termal seperti udara (Zhuo 2009).
Kondisi suhu pada sistem:
suhu gas keluaran yang diharapkan 70 .
suhu gas yang masuk kedalam kondenser 250 .
suhu lingkungan 30 .
suhu udara yang melewati kondenser 40 .
Pipa yang digunakan pipa tembaga dengan karakteristik sebagai berikut:
diameter luar
= 0.0127 m
diameter dalam = 0.01143 m
k = 360.5 W/m
Bagian 1 : peristiwa yang terjadi di dalam kondeser merupakan peristiwa
kondensasi
70 40
suhu film =
55 .
2
Karakteristik udara pada suhu 55
adalah:
20
= 1.0624 kg/m3
= 1.99 x 10-5 kg/ms
= 0.028 W/m
= 2369.8 kJ/kg
= 70 - 30 = 40
densitas (p)
viskositas dinamik (u)
konduktivitas termal (k)
entalphy evaporation ( )
Tg-Tw
Konveksi pada kondensasi adalah:
0.25
0.028 3 W/m C 1.0624 2 kg/ms 9.81 2.3698 10 6
= 0.725
1.99 x 10 -5 0.01143 40
2
= 64.670 W/m .K
Bagian 2: peristiwa yang terjadi adalah konduksi
5.715 10 3
ln
6.35 10 3
6.670 10 5
=
2 360.5
Bagian 3 : konveksi natural yang terjadi pada luar kondenser.
40 30
=
35 .
2
Maka karakteristik udara pada suhu 35 oC adalah:
densitas (p)
= 1.146 kg/m3
diskositas dinamik (u)
= 1.891 x 10-5 kg/ms
konduktivitas termal (k)
= 0.026 W/m
cp
= 1.007 x 10-3
β
= 1/ 308 K = 0.00324 K-1
Pr
= 0.712
viskositas kinematik (v)
= 16.754 x 10-6 m2/s
Tg-Tw
= 40 - 30 = 10
Pada bagian luar kondenser terjadi konveksi natural, maka:
Suhu film
=
9.81 0.00324 40 30 0.0127 3
2326.801
1.6754 10 5
=1656.628, karena 1 <
=0.54(2326.801)0.25 = 3.44
sehingga nilai dari h0 = 3.44