Simulasi numerik untuk memprediksi kinerja reaktor gasifikasi sabut kelapa tipe downdraft

i

SIMULASI NUMERIK UNTUK MEMPREDIKSI KINERJA
REAKTOR GASIFIKASI SABUT KELAPA TIPE
DOWNDRAFT

DZIYAD DZULFANSYAH

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013

iii

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Simulasi Numerik
untuk Memprediksi Kinerja Reaktor Gasifikasi Sabut Kelapa Tipe Downdraft
adalah benar karya saya dengan arahan dari dosen 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, Juli 2013

Dziyad Dzulfansyah
NIM F14090012

ABSTRAK
DZIYAD DZULFANSYAH. Simulasi Numerik untuk Memprediksi Kinerja
Reaktor Gasifikasi Sabut Kelapa Tipe Downdraft. Dibimbing oleh LEOPOLD
OSCAR NELWAN.
Sabut kelapa merupakan limbah pertanian (perkebunan kelapa) yang
belum banyak digunakan dalam bidang energi terbarukan. Sabut kelapa berpotensi
untuk digunakan sebagai bahan gasifikasi untuk menghasilkan gas mampu bakar
(CO, H2, dan CH4). Pemodelan matematika dan simulasi numerik pada model

kesetimbangan termodinamika dikembangkan untuk memprediksi komposisi gas
yang dihasilkan pada beragam kadar air dan equivalence ratio (ER). Hasil model
kemudian dibandingkan dengan hasil percobaan yang dilakukan. Hasil
perbandingan cukup dekat dan memuaskan dengan nilai eror RMS 2.44% dan
nilai R2 0.885. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pada peningkatan kadar air
setiap 5% rata – rata akan terjadi peningkatan persentase gas H2 0.67%, CO2
0.79%, dan CH4 0.04%, dan penurunan suhu 68.62 K, persentase gas CO 2.00%,
dan N2 0.33%. Hasil simulasi juga menunjukkan bahwa pada peningkatan ER
setiap 0.05 rata – rata akan terjadi penurunan persentase gas H2 2.03%, CO 2.31%,
dan CH4 0.68%, dan peningkatan suhu 165.74 K, persentase gas CO2 0.52%, dan
N2 4.56%.
Kata kunci: Sabut kelapa, gasifikasi, gas mampu bakar, model kesetimbangan
termodinamika

ABSTRACT
DZIYAD DZULFANSYAH. Numerical Simulation for Predicting Performance of
Downdraft - Coconut Husk/Coir Gasifier. Supervised by LEOPOLD OSCAR
NELWAN.
Coconut husk/coir is a waste of agriculture field (coconut plantation)
which rarely utilized in renewable energy. Coconut husk/coir is potential for used

as gasification material/feedstock for generating combustible gas (CO, H2, and
CH4). Mathematical modeling and numerical simulation on thermodynamic
equilibrium model is developed for predicting gas composition generated in
various moisture content and equivalence ratio (ER). Results of model are
compared with experimental results. Results of comparison is quite close and
satisfactory with RMS error 2.44% and R2 0.885. Results of simulation show that
on increasing of moisture content each 5% will take effect average increasing of
percentage of H2 0.67%, CO2 0.79%, and CH4 0.04%, and average decreasing of
temperature 68.62 K, percentage of CO 2.00%, and N2 0.33%. Results of
simulation also show that on increasing of ER will take effect average decreasing
of H2 2.03%, CO 2.31%, and CH4 0.68%, and average increasing of temperature
165.74 K, percentage of CO2 0.52%, dan N2 4.56%.
Keyword: Coconut husk/coir, gasification, combustible gas, thermodynamic
equilibrium model

iii

SIMULASI NUMERIK UNTUK MEMPREDIKSI KINERJA
REAKTOR GASIFIKASI SABUT KELAPA TIPE
DOWNDRAFT

DZIYAD DZULFANSYAH

Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknologi Pertanian
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013

Judul Skripsi : Simulasi Numerik untuk Memprediksi Kinelja Reaktor
Gasifikasi Sabut Kelapa Tipe Downdraft
Nama
: Dziyad Dzulfansyah
: F14090012

NIM

Disetujui oleh

Dr. Leopold Oscar Nelwan, STP, MSi
Pembimbing

Diketahui oleh

Ｔ＾ｾ＠

r.

Desnal, MEng

. . . Rettia ｄｾｰ｡ｲｴ･ｭｮ＠

Tanggal Lulus:

3 1 JUl 2013

v

Judul Skripsi : Simulasi Numerik untuk Memprediksi Kinerja Reaktor
Gasifikasi Sabut Kelapa Tipe Downdraft
Nama
: Dziyad Dzulfansyah
NIM
: F14090012

Disetujui oleh

Dr. Leopold Oscar Nelwan, STP, MSi
Pembimbing

Diketahui oleh

Dr. Ir. Desrial, MEng
Ketua Departemen

Tanggal Lulus:

PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2013 ini ialah
gasifikasi, dengan judul Simulasi Numerik untuk Memprediksi Kinerja Reaktor
Gasifikasi Sabut Kelapa Tipe Downdraft.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Leopold Oscar Nelwan,
STP, MSi selaku dosen pembimbing, Bapak Dr. Ir. Desrial, MEng dan Ibu Ir. Sri
Endah Agustina, MS selaku dosen penguji, dan Program Hi-Link selaku pemberi
dana untuk penelitian ini. Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada
ayah, ibu, serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayang yang telah
diberikan. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada teknisi Laboratorium
Energi dan Elektrifikasi Pertanian (Pak Harto) dan teknisi Laboratorium Lapang
Siswadhi Supardjo (Pak Darma dan Mas Firman) yang telah banyak membantu
penulis dalam melakukan penelitian, juga teman – teman Teknik Pertanian
angkatan 46 (Orion) yang telah menjadi rekan seperjuangan penulis hingga dapat
menyelesaikan skripsi ini.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Juli 2013

Dziyad Dzulfansyah

vii

DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL

viii

DAFTAR GAMBAR

viii

DAFTAR LAMPIRAN

ix

DAFTAR SIMBOL

ix

PENDAHULUAN

1

Latar Belakang

1

Tujuan

2

TINJAUAN PUSTAKA

3

Gasifikasi

3

Model Kesetimbangan Termodinamika

7

Pengukuran Laju Aliran Udara
METODE

10
12

Waktu dan Tempat Pelaksanaan

12

Alat dan Bahan

12

Prosedur

15

HASIL DAN PEMBAHASAN

21

Model Kesetimbangan Termodinamika

21

Percobaan dan Validasi Model

23

Simulasi

29

SIMPULAN DAN SARAN

39

Simpulan

39

Saran

40

DAFTAR PUSTAKA

40

LAMPIRAN

41

RIWAYAT HIDUP

51

DAFTAR TABEL
1. Karakteristik beberapa jenis biomassa (Raveendran et al 1994)
2. Kelebihan dan kekurangan setiap reaktor gasifikasi (Rajvanshi 1986)
3. Reaksi kimia utama pada proses gasifikasi (Mhilu 2012)
4. Entalpi pembentukan beragam jenis produk (Perry dan Green 1984
dalam Zainal et al 2001)
0
5. Nilai koefisien pada persamaan ∆gf,T (Probstein et al 1982 dalam
Jarungthammachote dan Dutta 2006)
6. Nilai koefisien persamaan panas jenis (Cengel et al 2002 dalam
Jarungthammachote dan Dutta 2006)
7. Data pengujian kadar air sampel sabut kelapa
8. Data komposisi gas rata - rata
9. Nilai eror RMS hasil model terhadap hasil percobaan
10. Pengaruh peningkatan kadar air terhadap perubahan komposisi gas
11. Pengaruh peningkatan ER terhadap perubahan komposisi gas

3
6
8
9
10
10
24
27
27
29
34

DAFTAR GAMBAR
1. Skema reaktor gasifikasi tipe crossdraft (Foley dan Barnard 1983 dalam
Rajvanshi 1986)
2. Skema reaktor gasifikasi tipe updraft (Foley dan Barnard 1983 dalam
Rajvanshi 1986)
3. Skema reaktor gasifikasi tipe downdraft (Foley dan Barnard 1983 dalam
Rajvanshi 1986)
4. Tampilan Microsoft Excel dengan developer Visual Basic
5. Reaktor gasifikasi tipe downdraft yang digunakan
6. Drying oven
7. Timbangan gantung
8. Gas analyzer
9. Skema reaktor gasifikasi tipe downdraft yang digunakan
10. Penjemuran sabut kelapa
11. Sabut kelapa yang telah dipotong
12. Diagran alir proses pembuatan model kesetimbangan
13. Sampel sabut kelapa
14. Peletakkan sampel sabut kelapa yang akan dikeringkan di dalam oven
15. Penimbangan bobot akhir sampel sabut kelapa setelah dikeringkan
16. Perbedaan tinggi muka air pada manometer
17. Penimbangan sabut kelapa
18. Pemasukan sabut kelapa ke dalam reaktor
19. Reaktor yang telah terisi penuh oleh sabut kelapa
20. Titik pengukuran suhu zona oksidasi dan bagian bawah zona reduksi
21. Sensor gas analyzer yang diletakkan pada pipa keluaran gas
22. Peletakkan sensor yang tidak menyentuh permukaan dinding pipa
23. Tahapan perhitungan komposisi gas dan suhu gasifikasi
24. Pengukuran dimensi sabut kelapa yang telah dipotong

4
5
5
12
13
13
13
13
14
15
15
16
17
17
17
18
18
18
18
19
19
20
23
24

ix

25. Perubahan suhu dan komposisi gas selama percobaan
26. Lidah api pada ujung pipa pengeluaran gas yang disulut api
27. Perbandingan hasil model dengan hasil percobaan
28. Validasi model
29. Pengaruh kadar air terhadap komposisi gas pada equivalence ratio (ER)
0.15
30. Pengaruh kadar air terhadap komposisi gas pada equivalence ratio (ER)
0.20
31. Pengaruh kadar air terhadap komposisi gas pada equivalence ratio (ER)
0.25
32. Pengaruh kadar air terhadap komposisi gas pada equivalence ratio (ER)
0.30
33. Pengaruh kadar air terhadap komposisi gas pada equivalence ratio (ER)
0.35
34. Pengaruh kadar air terhadap komposisi gas pada equivalence ratio (ER)
0.40
35. Pengaruh kadar air terhadap komposisi gas pada equivalence ratio (ER)
0.45
36. Pengaruh kadar air terhadap suhu gasifikasi pada berbagai nilai
equivalence ratio (ER)
37. Pengaruh equivalence ratio (ER) terhadap komposisi gas pada kadar air
(mc) 5%
38. Pengaruh equivalence ratio (ER) terhadap komposisi gas pada kadar air
(mc) 10%
39. Pengaruh equivalence ratio (ER) terhadap komposisi gas pada kadar air
(mc) 15%
40. Pengaruh equivalence ratio (ER) terhadap komposisi gas pada kadar air
(mc) 20%
41. Pengaruh equivalence ratio (ER) terhadap komposisi gas pada kadar air
(mc) 25%
42. Pengaruh equivalence ratio (ER) terhadap komposisi gas pada kadar air
(mc) 30%
43. Pengaruh equivalence ratio (ER) terhadap komposisi gas pada kadar air
(mc) 35%
44. Pengaruh equivalence ratio (ER) terhadap suhu gasifikasi pada berbagai
tingkat kadar air (mc)

26
27
28
28
30
30
31
31
32
32
33
33
35
35
36
36
37
37
38
38

DAFTAR LAMPIRAN
1. Pemrograman untuk simulasi numerik menggunakan Microsoft Office
Excel dengan developer Visual Basic
2. Data komposisi gas

41
48

DAFTAR SIMBOL
A
Ar
A/F
C
Cp
ER
g
0
∆gf
∆G0T
h0f
ΔhT
HHV
k
LHV
m
mc
Mr
n
p
Q
R
RMSE
T
v
w

luas penampang, m2
massa atom relatif, kg/kmol
air to fuel ratio
koefisien aliran orifice
panas jenis pada tekanan tetap, kJ/kmol K
equivalence ratio
percepatan gravitasi, m/s2
fungsi Gibbs untuk reaksi pembentukan standar
fungsi energi bebas Gibbs untuk reaksi standar
entalpi pembentukan, kJ/kmol
perbedaan entalpi pada suhu T dan pada suhu 298 K pada tekanan
1 atm, kJ/kmol
higher heating value, kJ/kmol
konstanta kesetimbangan reaksi
lower heating value, kJ/kmol
jumlah oksigen yang terkandung dalam udara per kmol biomassa
kadar air, %
massa molekul relatif, kg/kmol
mol
tekanan, atm
debit, m3/detik
konstanta gas universal, kJ/kmol
root mean square error
suhu, K
kecepatan aliran fluida, m/s
jumlah air yang terkandung dalam biomassa per kmol biomassa

Huruf Yunani
ρ
ν
Υ

densitas, kg/m3
bilangan stokiometri
faktor ekspansi

Subskrip
x
y
z

jumlah atom hidrogen per satu atom karbon di dalam biomassa
jumlah atom oksigen per satu atom karbon di dalam biomassa
jumlah atom nitrogen per satu atom karbon di dalam biomassa

PENDAHULUAN
Latar Belakang
Gasifikasi adalah proses konversi bahan bakar dalam bentuk padat ke dalam
bentuk gas mampu bakar melalui proses termal. Gas mampu bakar ini sebagian
besar tersusun atas gas karbon monoksida (CO), hidrogen (H2) dan sedikit metana
(CH4). Gas mampu bakar ini dapat digunakan secara langsung untuk pembakaran,
misalnya untuk keperluan rumah tangga atau pengeringan, ataupun juga dapat
digunakan sebagai bahan bakar motor bakar yang dapat digunakan untuk
pembangkit listrik ataupun keperluan lainnya. Pemahaman interaksi antara
mekanisme kimia dan fisika selama proses gasifikasi merupakan dasar yang
sangat penting untuk desain yang optimum dari reaktor gasifikasi.
Ada beberapa tipe reaktor gasifikasi, tetapi yang umum digunakan untuk
menghasilkan gas yang dapat digunakan sebagai bahan bakar engine adalah tipe
downdraft. Tipe ini dapat menghasilkan gas yang lebih bersih karena tar hasil dari
proses pirolisis akan ikut terbakar sehingga sedikit yang akan terikut di dalam gas
mampu bakar yang dihasilkan. Kadar tar yang masih terikut pada gasifikasi tipe
downdraft biasanya sekitar 50 mg/m3 – 2 g/m3 (Neeft et al 2002 dalam Surjosatyo
dan Vidian 2012).
Bahan yang dapat digunakan untuk gasifikasi adalah semua jenis bahan yang
mengandung kadar karbon cukup tinggi. Salah satu bahan yang dapat digunakan
adalah biomassa. Biomassa yang digunakan sebaiknya adalah biomassa yang tidak
memiliki kegunaan lain atau lebih ekonomis jika digunakan sebagai bahan
gasifikasi dibandingkan jika digunakan untuk yang lain. Sabut kelapa merupakan
salah satu bahan yang memenuhi kriteria tersebut karena menurut Raveendran et
al (1995) sabut kelapa mengandung karbon sebesar 47.6%, hidrogen sebesar 5.7%,
nitrogen sebesar 0.2%, dan oksigen sebesar 45.6%.
Sabut kelapa merupakan limbah hasil dari perkebunan kelapa yang belum
banyak dimanfaatkan di bidang energi terbarukan. Sabut kelapa menjadi potensial
untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi terbarukan di Indonesia karena
Indonesia memiliki perkebunan kelapa yang cukup luas. Selain itu, sabut kelapa
juga masih jarang dimanfaatkan dan dianggap memiliki nilai ekonomi yang
rendah oleh masyarakat. Metode gasifikasi untuk memanfaatkan limbah sabut
kelapa dipilih dibandingkan dengan metode lain, seperti pembakaran langsung
pada insenerator karena sabut kelapa sulit untuk dibakar. Selain itu, sabut kelapa
yang dibakar akan menghasilkan banyak asap. Dengan metode gasifikasi, asap
yang dihasilkan tidak dibuang ke lingkungan tetapi dapat diubah menjadi gas
mampu bakar yang lebih bermanfaat.
Kualitas gas mampu bakar yang dihasilkan di antaranya dipengaruhi oleh
laju aliran udara dan kadar air bahan. Pengaruh dari laju aliran udara terhadap
proses gasifikasi adalah jika laju aliran udara terlalu tinggi maka proses
pembakaran yang terjadi akan berlangsung sempurna sehingga jumlah gas mampu
bakar yang dihasilkan akan sedikit, sedangkan jika laju aliran udara terlalu rendah
maka suhu gasifikasi mungkin tidak dapat dicapai serta laju proses gasifikasi akan
rendah sehingga laju aliran gas mampu bakar yang dihasilkan akan rendah.
Pengaruh kadar air terhadap proses gasifikasi adalah jika kadar air yang
terkandung di dalam bahan terlalu rendah maka kandungan gas hidrogen yang

2
dihasilkan akan sedikit, tetapi jika kadar air terlalu tinggi maka akan menurunkan
efisiensi pemanasan reaktor gasifikasi karena panas yang ada digunakan untuk
menguapkan air.
Kadar air merupakan salah satu karakteristik biomassa yang paling
signifikan yang mempengaruhi proses gasifikasi. Has dan Groeneveld (1987)
dalam Ramanan et al (2008) menjelaskan bahwa adanya pengaruh kadar air bahan
terhadap komposisi gas yang dihasilkan. Menurut Bridgewater et al (1986) dalam
Ramanan et al (2008), bahan dengan kadar air tinggi masih dapat digunakan pada
reaktor gasifikasi tipe updraft, tetapi batasan kadar air tertinggi yang diterima
untuk tipe downdraft umumnya sekitar 40% (basis kering). Reed dan Das (1988)
dalam Ramanan (2008) menjelaskan bahwa kadar air bahan harus di bawah 33%
(basis basah) untuk menghasilkan gas mampu bakar dengan kualitas yang baik.
Sebuah reaktor gasifikasi untuk sabut kelapa telah dirancang dan dibuat oleh
Nelwan dkk pada program Hi-Link 2012 (Tooy et al 2013). Gas mampu bakar
yang dihasilkan dari reaktor gasifikasi sabut kelapa ini akan digunakan sebagai
bahan bakar motor bakar untuk menggerakkan generator listrik. Reaktor gasifikasi
biomassa merupakan suatu peralatan yang cukup kompleks yang membutuhkan
banyak waktu untuk perancangan dan pengoperasian sehingga sulit untuk
mengeksplorasi beragam kondisi kerja. Oleh sebab itu, pemodelan matematika
dibuat untuk memprediksi kinerja reaktor gasifikasi. Studi teoritis baru – baru ini
mencakup pemodelan kinetik atau nonekuilibrium reaksi reduksi pada reaktor
gasifikasi biomassa tipe downdraft. Model ini menggambarkan proses reduksi
arang menggunakan pernyataan laju kinetik yang diperoleh dari eksperimen dan
simulasi data eksperimen di mana waktu tinggal gas dan biomassa relatif singkat.
Meskipun kesetimbangan termodinamika pada kenyataannya tidak pernah
terjadi selama proses gasifikasi, perhitungan kesetimbangan termodinamika telah
digunakan secara luas untuk memprediksi batasan termodinamika pada reaksi
proses gasifikasi. Karena tidak bergantung pada desain reaktor gasifikasi,
pendekatan ini sering digunakan dalam studi pengaruh parameter bahan atau
parameter penting lainnya terhadap kinerja proses gasifikasi. Syed et al (2012)
mengembangkan model untuk gasifikasi biomassa yang menggunakan persamaan
energi bebas Gibbs (Gibbs free energy) dari reaksi dan mengembangkan model
kesetimbangan. Zainal et al (2001) juga mengembangkan model kesetimbangan
reaksi gasifikasi yang menggambarkan komposisi kesetimbangan menggunakan
reaksi water-gas shift dan metana (hydrogenating gasification). Prediksi ini
menyoroti pengaruh dari kadar air potongan kayu dan suhu reaksi terhadap
komposisi gas mampu bakar yang dihasilkan.
Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah mengaplikasikan model kesetimbangan
termodinamika untuk gasifikasi sabut kelapa pada reaktor tipe downdraft dan
melakukan simulasi kinerja reaktor gasifikasi pada berbagai kadar air sabut kelapa
dan laju aliran udara (dinyatakan dalam equivalence ratio).

3

TINJAUAN PUSTAKA
Gasifikasi
Gasifikasi merupakan proses untuk mengkonversi bahan bakar dalam bentuk
padat ke dalam bentuk gas. Energi kimia bahan bakar dalam bentuk padat
dikonversi ke dalam bentuk energi panas dan energi kimia gas. Energi kimia yang
terkandung dalam gas adalah fungsi dari komposisi kimianya. Hal tersebut
membuat komposisi gas yang dihasilkan menentukan kualitasnya sebagai bahan
bakar. Konsentrasi tinggi dari gas mampu bakar seperti H2, CO, dan CH4
meningkatkan energi pembakaran dari gas yang dihasilkan (Iyer et al 2002 dalam
Kumar SS et al 2008). Gas dapat dibakar sehingga menghasilkan panas untuk
keperluan industri atau suatu wilayah tertentu, untuk menjalankan motor bakar
untuk keperluan tenaga mekanik maupun listrik, atau untuk membuat bahan bakar
sintetik (Reed dan Das 1988).
Menurut Gumz (1950) dalam Pitchandi (2012), selama proses gasifikasi,
material organik yang terkandung dalam bahan bakar keluar karena proses panas
dan dengan cepat mendorong terbentuknya susunan arang yang utamanya tersusun
atas karbon dan abu. Partikel arang mengalami reaksi lebih jauh dengan beberapa
gas untuk menghasilkan gas yang diinginkan. Oleh karena itu, karakteristik
termokimia dari biomassa memainkan peranan penting dalam pemilihan sistem
dan kinerja sistem gasifikasi.
Untuk pembakaran lengkap terhadap biomassa, secara teoritis (stokiometri)
udara yang dibutuhkan adalah 6 hingga 6.5 kg udara per kg biomassa. Produk
yang dihasilkan pada pembakaran tersebut adalah CO2 dan H2O. Dalam proses
gasifikasi, reaksi diperlakukan di bawah kondisi stokiometri dengan jumlah udara
yang dibatasi pada kisaran 1.5 hingga 1.8 kg udara per kg biomassa (Vaezi et al
2008). Nilai equivalence ratio (ER) merupakan perbandingan air-fuel ratio aktual
dengan air-fuel ratio stokiometri. Secara teoritis, nilai ER untuk pembakaran
lengkap adalah 1 (Ramanan et al 2008), sedangkan nilai ER untuk gasifikasi
adalah antara 0.15 – 0.4 (Ramanan et al 2008), 0.19 – 0.43 (Zainal et al 2002
dalam Gunarathne 2012), atau 0.3 – 0.6 (Vaezi et al 2008).
Sabut kelapa merupakan salah satu biomassa yang dapat digunakan sebagai
bahan gasifikasi. Hal ini karena sabut kelapa memiliki kandungan karbon yang
cukup tinggi, seperti yang tersaji pada Tabel 1 bahwa sabut kelapa memiliki kadar
karbon 47.6%, sedangkan kadar material lain yaitu hidrogen, nitrogen, dan
oksigen secara berturut – turut adalah 5.7%, 0.2%, dan 45.6%. Kadar karbon sabut
kelapa hampir sama dengan kadar karbon kayu yang biasa digunakan sebagai
bahan gasifikasi di mana kadar karbon kayu adalah 48.2%, sedangkan komposisi
unsur yang lain adalah kadar hidrogen 5.9%, kadar nitrogen 0%, dan kadar
oksigen 45.1%.
Secara umum, terdapat tiga tipe reaktor gasifikasi, yaitu crossdraft, updraft,
dan downdraft. Pada reaktor gasifikasi tipe crossdraft, bahan gasifikasi masuk
melalui bagian atas reaktor, sedangkan udara masuk melalui bagian samping
reaktor, seperti yang disajikan pada Gambar 1. Udara masuk pada zona
pembakaran sehingga akan membakar bahan gasifikasi. Panas yang dihasilkan
akan digunakan untuk proses lain, yaitu pengeringan, pirolisis, dan reduksi

4
sehingga akan dihasilkan gas. Gas yang dihasilkan dialirkan langsung keluar dari
reaktor gasifikasi melalui bagian sisi yang lain dari reaktor.
Tabel 1 Karakteristik beberapa jenis biomassa (Raveendran et al 1994)

Gambar 1 Skema reaktor gasifikasi tipe crossdraft (Foley dan Barnard 1983
dalam Rajvanshi 1986)
Pada reaktor gasifikasi tipe updraft, bahan gasifikasi masuk melalui bagian
atas reaktor, sedangkan udara masuk melalui bagian bawah reaktor, seperti yang
disajikan pada Gambar 2. Udara masuk pada zona pembakaran sehingga akan
membakar bahan gasifikasi. Panas yang dihasilkan akan digunakan untuk proses
lain, yaitu pengeringan, pirolisis, dan reduksi sehingga akan dihasilkan gas. Gas
yang dihasilkan akan mengalir mengikuti aliran udara dan keluar pada bagian atas
reaktor. Tar, abu, uap air serta kotoran sisa pembakaran dan pirolisis akan ikut
bersama gas yang dihasilkan.

5

Gambar 2 Skema reaktor gasifikasi tipe updraft (Foley dan Barnard 1983 dalam
Rajvanshi 1986)
Pada reaktor gasifikasi tipe downdraft, bahan gasifikasi masuk melalui
bagian atas reaktor, sedangkan udara masuk melalui bagian tengah reaktor, seperti
yang disajikan pada Gambar 3. Udara masuk pada zona pembakaran sehingga
akan membakar bahan gasifikasi. Panas yang dihasilkan akan digunakan untuk
proses lain, yaitu pengeringan, pirolisis, dan reduksi sehingga akan dihasilkan gas.
Gas yang dihasilkan akan mengalir mengikuti aliran udara dan keluar pada bagian
bawah reaktor. Tar hasil dari proses pirolisis terbakar pada zona pembakaran
sehingga sedikit yang terikut bersama aliran gas yang dihasilkan.

Gambar 3 Skema reaktor gasifikasi tipe downdraft (Foley dan Barnard 1983
dalam Rajvanshi 1986)

6
Berdasarkan Tabel 2, diketahui bahwa reaktor gasifikasi tipe downdraft
dapat menghasilkan gas mampu bakar dengan kadar debu dan tar yang rendah
serta fleksibel terhadap variasi beban kerja.
Tabel 2 Kelebihan dan kekurangan setiap reaktor gasifikasi (Rajvanshi 1986)
Tipe
No
reaktor
Kelebihan
Kekurangan
gasifikasi
1 Updraft
 Pressure drop rendah
 Sangat sensitif terhadap tar
dan kadar air bahan
 Efisiensi termal bagus
 Relatif lebih lama waktu
 Kecil kemungkinan
yang
dibutuhkan
untuk
terbentuk kerak
menyalakan motor bakar
internal
2 Downdraft  Penyesuaian yang fleksibel  Rancangan
cenderung
dari produksi gas terhadap
memiliki ukuran dan bentuk
beban
yang tinggi
 Kurang sensitif terhadap  Tidak layak untuk ukuran
kandungan debu dan tar dari
bahan bakar yang sangat
bahan
kecil
3 Crossdraft  Rancangan memiliki ukuran  Sangat sensitif terhadap
dan bentuk yang relatif kecil
pembentukan kerak
 Respon
sangat
cepat  Pressure drop tinggi
terhadap beban
 Produksi gas fleksibel

Di dalam reaktor gasifikasi, terjadi reaksi kimia pada zona pembakaran
dan reduksi. Uraian tentang proses kimia tersebut adalah sebagai berikut (Gaos
2008):
1.

Zona pengeringan
Bahan baku terkena panas antara 100 – 250 oC sehingga bahan baku mulai
mengering. Dengan demikian air yang terkandung di dalam bahan akan menguap,
seperti pada persamaan reaksi berikut:
H2O (cair) H2O (uap)

(1)

2.

Zona pirolisis
Setelah proses pengeringan dilakukan, bahan baku umpan akan turun dan
menerima panas pada suhu antara 250 – 500 oC dalam kondisi tanpa udara. Bahan
baku mulai terurai dan menjadi arang, uap air, dan gas. Proses pirolisis dimulai
dengan dekomposisi hemiselulosa pada suhu antara 200 – 250 oC, dekomposisi
selulosa sampai dengan suhu 350 oC, dan proses pirolisis berakhir pada suhu 500
o
C. Selanjutnya proses pengarangan yang berlangsung pada suhu 500 – 900 oC
terjadi di daerah batas zona pirolisis dan oksidasi. Proses kimia pirolisis adalah
sebagai berikut:
CxHyOz arang, tar, minyak, asam organik, metana, dan lain – lain

(2)

7
3.

Zona oksidasi
Arang yang terbentuk dari ujung zona pirolisis masuk ke daerah oksidasi,
selanjutnya dibakar dengan udara yang dimasukkan dari luar melalui lubang
pemasukan udara, akan tetapi dengan jumlah yang tidak memadai sehingga terjadi
pembakaran tidak sempurna. Suhu oksidasi berkisar antara 900 – 1400 oC terjadi
di daerah cekikan (throat section) yang merupakan zona pembakaran.
2C + O2 2CO + energi termal
2CO + O2 2CO2 + energi termal
Tar, minyak, metana, dll  CO, CO2, H2O, CH4 + energi termal

(3)
(4)
(5)

4.

Zona reduksi
Proses ini dimaksudkan untuk mereduksi gas CO2 hasil proses oksidasi
dengan arang menjadi gas CO. Proses ini berlangsung pada kisaran suhu 900 oC,
dengan mengambil panas dari zona oksidasi. Arang bereaksi dengan gas CO2
membentuk gas CO, dan arang bereaksi dengan uap air membentuk gas CO dan
gas H2. Proses kimia reduksi adalah sebagai berikut:
C + H2O  CO + H2 – energi temal
CO2 + C  2CO – energi termal

(6)
(7)

Model Kesetimbangan Termodinamika
Model kesetimbangan termodinamika secara keseluruhan terdiri dari
persamaan neraca massa dan neraca energi. Neraca massa yang digunakan adalah
neraca massa dari reaksi total gasifikasi. Persamaan umum reaksi total gasifikasi
adalah sebagai berikut (Jarungthammachote dan Dutta 2006):
CHxOyNz + wH2O + m(O2 + 3.76N2) = x1H2 + x2CO + x3CO2 + x4H2O + x5CH4
+ (3.76m + z/2) N2
(8)
di mana x, y, dan z adalah jumlah atom hidrogen, oksigen, dan nitrogen per satu
atom karbon di dalam biomassa, w adalah jumlah air yang terkandung dalam
biomassa per kmol biomassa, m adalah jumlah oksigen yang terkandung dalam
udara per kmol biomassa, dan x1, x2, x3, x4, dan x5, adalah koefisien konstituen
masing – masing produk.
Nilai m dapat dihitung dengan mengalikan laju aliran udara dengan lama
waktu proses gasifikasi. Nilai w dapat dihitung berdasarkan kadar air biomassa
dengan rumus sebagai berikut (Vaezi et al 2008):
w=

Mr biomassa × mc
Mr H2 O × (1 - mc)

(9)

di mana Mr biomassa dan Mr H2 O adalah massa molekul relatif biomassa dan air,
sedangkan mc adalah kadar air biomassa.
Persamaan reaksi kimia secara spesifik yang terjadi selama proses gasifikasi
disajikan pada Tabel 3. Dari beberapa reaksi kimia yang terjadi, hanya ada empat
reaksi yang merupakan reaksi independen, yaitu oksidasi (R1), Boudouard (R2),
water-gas (R3), dan pembentukan metana (R4). Reaksi water-gas shift dapat

8
dianggap sebagai pengurangan reaksi steam gasification dan Boudouard. Reaksi
oksidasi diasumsikan terjadi sangat cepat dan lengkap.
Tabel 3 Reaksi kimia utama pada proses gasifikasi (Mhilu 2012)
Reaction no
R1 (a)
R1 (b)
R1 (c)
R2
R3
R4
R5
R6

Reaction scheme
C + O2 → CO2
C + (1/2) O2 → CO
CO + (1/2) O2 → CO2
C + CO2 ↔ 2CO
C + H2O ↔ CO + H2
C + 2H2 ↔CH4
CO + H2O ↔ CO2 + H2
CH4 + H2O ↔ 3H2 + CO

Chemical reaction
Oxidation reactions
Boudouard reaction
Water-gas reaction
Methanation reaction
Water-gas shift reaction
Methanation reforming reaction

Nilai konstanta kesetimbangan reaksi yang merupakan fungsi dari suhu
dapat dihitung menggunakan persamaan perubahan energi bebas Gibbs (Gibbs
free energy) untuk reaksi standar pada suhu dan tekanan konstan (Perry dan Green
1984 dalam Zainal et al 2001):
(10)
- RT ln k = ∆G0T
sehingga
∆G0T
∆G0T
= - ln k atau k = exp RT
RT

(11)

dimana R adalah konstanta gas universal (8.314 kJ/kmole) dan ∆G0T adalah fungsi
perubahan energi bebas Gibbs untuk reaksi standar. Fungsi ∆G0T terhadap suhu
dapat dinyatakan sebagai berikut (Jarungthammachote dan Dutta 2006):
∆G0T =

vi ∆gf,T,i
0

(12)

i

Nilai

∆G0T

untuk water-gas shift reaction adalah sebagai berikut:
∆G0T, 1 = ∆gf,CO + ∆gf,H - ∆gf,CO - ∆gf,H
0

0

2

0

0

2O

2

(13)

Nilai ∆G0T untuk methanation reaction adalah sebagai berikut:
∆G0T, 2 = ∆gf,CH - 2∆gf,H
0

0

4

(14)

2

dimana ∆gf menyatakan fungsi pembentukan Gibbs untuk reaksi standar pada
suhu tertentu dari gas i yang dinyatakan dengan persamaan di bawah ini.
0

0

∆gf,T = hf - aT ln( T) - bT2 0

d 4
e
c 3
T T +
+ f + gT
3
2T
2

(15)

9
Nilai a, b, c, d, e, f, dan g adalah koefisien persamaan fungsi pembentukan Gibbs
untuk reaksi standar yang nilainya disajikan pada Tabel 5.
Dalam tujuan untuk menentukan suhu gasifikasi, digunakan persamaan neraca
energi antara reaktan dan produk. Persamaannya adalah sebagai berikut (Syed et
al 2012):
xi h0f,i =

xj (h0f,j +∆hT )

(16)

j = products

i = reactants

di mana
T

∆hT =

(17)

Cp ( T) dT
298

di mana xi adalah jumlah mol reaktan i, h0f,i adalah entalpi pembentukan reaktan i,
xj jumlah mol produk j, h0f,j adalah entalpi pembentukan produk j, ∆hT adalah
perbedaan entalpi produk j pada suhu T dan pada suhu 298 K, Cp, j adalah panas
jenis produk j pada tekanan konstan, dan ∆T adalah selisih suhu gasifikasi (T)
dengan suhu referensi (298 K).
Entalpi pembentukan untuk masing – masing produk disajikan pada Tabel 4
sedangkan higher heating value (HHV) dan entalpi pembentukan biomassa (hf)
berturut – turut dihitung menggunakan rumus sebagai berikut (Syed et al 2012):

HHV = 418920 + 117830 x - 166880 y

hf = HHV -

kJ
kmol

kJ
x
285830 - 393546
kmol
2

(18)

(19)

Tabel 4 Entalpi pembentukan beragam jenis produk (Perry dan Green 1984 dalam
Zainal et al 2001)
Nama senyawa
Air
Air
Karbon dioksida
Karbon monoksida
Metana
Hidrogen
Oksigen
Nitrogen

Rumus molekul
H2O
H2O
CO2
CO
CH4
H2
O2
N2

Fase
Gas
Cair
Gas
Gas
Gas
Gas
Gas
Gas

hf⁰ (kJ/kmol)
-241818
-285830
-393509
-110525
-74520
0
0
0

Panas jenis rata – rata pada selang suhu tertentu yang digunakan pada persamaan
(17) dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut (Jarungthammachote
dan Dutta 2006):
(20)
Cp,i(T) = a + bT + cT2 + dT3
di mana a, b, c, dan d merupakan koefisien panas jenis yang disajikan pada Tabel
6, dan T adalah suhu dalam K.

10
Tabel 5
Jenis
gas
CO
CO2
H2O
CH4

hfo
-110.5
-393.5
-241.8
-74.8

Nilai koefisien pada persamaan ∆gf,T (Probstein et al 1982 dalam
Jarungthammachote dan Dutta 2006)
0

a (x 103)

b (x 106)

c (x 109)

d (x 1012)

e (x 10-2)

f (x 10)

g (x 102)

5.619
-19.49
-8.950
-46.20

-11.90
31.22
-3.672
11.30

6.383
-24.48
5.209
13.19

-1.846
6.946
-1.478
-6.647

-4.891
-4.891
0.0
-4.891

8.684
52.70
28.68
141.1

-6.131
-12.07
-1.722
-22.34

Nilai koefisien persamaan panas jenis (Cengel et al 2002 dalam
Jarungthammachote dan Dutta 2006)
Gas spesies
a
b
c
d
-2
-5
H2
29.11
-0.1916 x 10
0.4003 x 10
-0.8704 x 10-9
CO
28.16
0.1675 x 10-2
0.5372 x 10-5
-2.222 x 10-9
CO2
22.26
5.981 x 10-2
-3.501 x 10-5
-7.469 x 10-9
H2O
32.24
0.1923 x 10-2
1.055 x 10-5
-3.595 x 10-9
CH4
19.89
5.204 x 10-2
1.269 x 10-5
-11.01 x 10-9
N2
28.90
-0.1571 x 10-2
0.8081 x 10-5
-2.873 x 10-9

Tabel 6

Pengukuran Laju Aliran Udara
Pengukuran laju aliran udara yang melalui pipa dapat dilakukan dengan
menggunakan celah orifice (orifice plate) yang dihubungkan dengan manometer.
Data yang perlu diambil dari percobaan adalah perbedaan tinggi muka air pada
kolom manometer. Persamaan yang digunakan pada pengukuran laju aliran udara
adalah sebagai berikut (http://www.engineeringtoolbox.com):
Persamaan Bernoulli:

Persamaan kontinuitas:

1
1
p1 + ρv21 = p 2 + ρv22
2
2
Q = A1 v1 = A2 v2

(21)

(22)

Dengan mengkombinasikan persamaan Bernoulli dan persamaan kontinuitas,
didapatkan persamaan untuk menghitung laju aliran udara sebagai berikut:
Q = CY A2 2ρ (p1 - p2 ) /ρ

(23)

di mana p1 – p2 adalah perbedaan tekanan aliran sebelum dan setelah melewati
celah orifice, Y adalah faktor ekspansi, A2 adalah luas celah orifice, dan C adalah
koefisien aliran orifice.

11
Perbedaan tekanan aliran sebelum dan setelah celah orifice dapat dihitung
menggunakan rumus sebagai berikut:
p1 - p2 = ρ g ∆h

(24)

di mana ρ adalah densitas udara (kg/m3), g adalah percepatan gravitasi (m/s2), dan
∆h adalah perbedaan tinggi muka air dalam kolom manometer.
Nilai faktor ekspansi (Y) dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut:
Y = 1 –

1 - r
k

0.41 + 0.35 β4

(25)

di mana r adalah perbandingan tekanan aliran udara setelah melewati celah orifice
dengan sebelum melewati celah orifice (p2/p1), k adalah ratio panas jenis pada
tekanan tetap dengan panas jenis pada volume tetap (cp/cv), β adalah perbandingan
diameter celah orifice dengan diameter pipa (d2/d1).
Laju aliran oksigen dihitung menggunakan rumus sebagai berikut:
QO2 = Qudara (m3/detik) * 21%

(26)

Laju aliran massa oksigen dihitung menggunakan rumus sebagai berikut:
ṁ O2 = QO2 * (m3/detik) * ρO (kg/m3)
2

(27)

Mol oksigen dihitung menggunakan rumus sebagai berikut:
m = ṁ O2 (kg/detik) * waktu (jam) * 3600 detik/jam / Mr O2 (kg/kmol)

(28)

Nilai air to fuel ratio (A/F ratio) dihitung menggunakan rumus sebagai berikut:
(A/F) = [m (kmol) * (Mr O2 + 3.76 * Mr N2) (kg/kmol)] / (massa sabut (kg)) (29)
Pada kondisi stokiometri, jumlah mol O2 sama dengan jumlah mol sabut kelapa
pada persamaan (8), sehingga nilai m = 1.
Dengan menggunakan nilai (A/F) aktual dan nilai (A/F) stokiometri, maka dapat
dihitung nilai equivalence ratio. Perhitungannya adalah sebagai berikut:
Nilai equivalence ratio = (A/F) aktual / (A/F) stokiometri

(30)

12

METODE
Waktu dan Tempat Pelaksanaaan
Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Maret 2013 sampai dengan bulan Juni
2013. Tempat pelaksanaan penelitian ini adalah Laboratorium Energi dan
Elektrifikasi Pertanian, dan Laboratorium Lapang Siswadhi Supardjo Leuwikopo
Gedung Metatron.
Alat dan Bahan
Rincian alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
Pembuatan model kesetimbangan dan simulasi
Alat: Komputer dan software Microsoft excel dengan developer Visual
Basic (Gambar 4).
Bahan: Data karakteristik sabut kelapa berdasarkan data ultimate analysis
sabut kelapa.
Percobaan dan validasi model
Alat: Reaktor gasifikasi tipe downdraft - batch (Gambar 5 dan Gambar 9),
termokopel batang tipe K merk Chino K/G385, termokopel tipe K (kawat),
hybrid recorder merk yokogawa 3081, drying oven SS 204D (Gambar 6),
timbangan digital merk DJ1000, penggaris dengan nilai skala terkecil 1 mm,
timbangan gantung tipe jarum merk Salter (Gambar 7), dan gas analyzer
merk Lancom 4 (Gambar 8).
Bahan: Sabut kelapa dari buah kelapa tua berumur sekitar 11 – 13 bulan.
Sabut kelapa terlebih dahulu dijemur di bawah sinar matahari langsung
(Gambar 10) agar didapatkan sabut kelapa yang cukup kering untuk proses
gasifikasi. Selanjutnya sabut kelapa dipotong menjadi berukuran relatif kecil
(Gambar 11).

Gambar 4 Tampilan Microsoft Excel dengan developer Visual Basic

13

Kran
pembuangan
kelebihan udara

Blower

Pipa
pengeluaran
gas

Kran
pemasukan
udara
Lubang
ignisi

Orifice
meter

Gambar 5 Reaktor gasifikasi tipe downdraft yang digunakan

Gambar 6 Drying oven

Gambar 7 Timbangan gantung

Gambar 8 Gas analyzer

14

Gambar 9 Skema reaktor gasifikasi tipe downdraft yang digunakan yang didesain
oleh Nelwan dkk (Tooy et al 2013)

15

Gambar 10 Penjemuran sabut kelapa

Gambar 11 Sabut kelapa yang telah
dipotong

Prosedur
Prosedur yang digunakan pada penelitian ini secara umum terbagi dalam dua
prosedur, yaitu pembuatan model kesetimbangan & simulasi dan percobaan &
validasi model. Penjelasan untuk masing – masing prosedur adalah sebagai
berikut:
Pembuatan model kesetimbangan dan simulasi
Asumsi yang digunakan pada pembuatan model kesetimbangan ini adalah
sebagai berikut:
1. Sabut kelapa direpresentasikan dengan rumus molekul CHxOyNz.
2. Reaksi di dalam reaktor berada pada kesetimbangan termodinamika dan
berlangsung pada tekanan 1 (satu) atmosfir.
3. Reaktor gasifikasi bersifat adiabatik (tidak ada panas yang hilang ke
lingkungan).
4. Semua gas bersifat gas ideal.
5. Semua karbon di dalam biomassa tergasifikasi sehingga pembentukan arang
diabaikan.
6. Abu di dalam biomassa inert sehingga tidak ikut dalam reaksi kimia.
7. Gas yang dihasilkan terdiri dari H2 , CO, CO2, H2O, CH4, dan N2.
8. Tar tidak diperhitungkan di dalam simulasi.
9. Gas N2 inert selama proses gasifikasi.
Langkah – langkah dalam pembuatan model kesetimbangan disajikan pada
Gambar 12. Berikut merupakan penjelasan langkah – langkah tersebut disertai
dengan langkah – langkah perhitungan komposisi gas serta suhu gasifikasi:
1. Rumus molekul bahan reaktan pada reaksi gasifikasi dibentuk dengan
berdasarkan karakteristik sabut kelapa yang diperoleh dari data ultimate
analysis sabut kelapa (Tabel 1). Reaksi total gasifikasi sabut kelapa kemudian
dibentuk mengikuti persamaan (8).
2. Dengan analisis neraca massa (neraca massa karbon, hidrogen, dan oksigen)
dan konstanta kesetimbangan pada reaksi total gasifikasi, fungsi
kesetimbangan dibentuk. Nilai konstanta kesetimbangan (k1 dan k2) dihitung
menggunakan persamaan (11), (12), (13), dan (14).

16
3. Komposisi gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi diperoleh dengan
melakukan iterasi menggunakan Newton-Raphson method terhadap fungsi
kesetimbangan yang dibentuk dengan memasukkan suhu dan komposisi gas
sebagai dugaan awal, serta nilai kadar air dan equivalence ratio (ER) sebagai
nilai yang telah ditetapkan. Iterasi dilakukan hingga perubahan nilai mol
masing – masing gas kurang dari nilai mutlak 1 x 10-10.
4. Dengan memasukkan nilai mol masing – masing gas yang diperoleh dari
langkah (3), nilai mol oksigen (m), entalpi pembentukan (hf) dan fungsi Cp
untuk masing – masing produk dan reaktan ke dalam persamaan (16), maka
terbentuk fungsi neraca energi dengan satu variabel yaitu variabel T (suhu).
Dengan memasukkan suhu dugaan awal, iterasi menggunakan NewtonRaphson method dilakukan terhadap persamaan neraca energi hingga
perubahan suhu di dalam iterasi kurang dari nilai mutlak 1 x 10-5 sehingga
diperoleh suhu gasifikasi yang baru.
5. Komposisi gas dan suhu gasifikasi yang baru digunakan untuk melakukan
kembali langkah (3) dan seterusnya hingga suhu gasifikasi relatif tidak
berubah (perubahan kurang dari nilai mutlak 1 x 10-2).

Mulai
Data ultimate analysis
sabut kelapa dari literatur
Pembentukan persamaan reaksi
untuk gasifikasi sabut kelapa

Nilai entalpi pembentukan
dari masing – masing
komponen yang terlibat di
dalam reaksi gasifikasi,
dan fungsi persamaan
panas jenis

total

Pembentukan persamaan neraca massa karbon, neraca
massa hidrogen, neraca massa oksigen, konstanta
kesetimbangan untuk water-gas shift reaction, dan
konstanta kesetimbangan methanation reaction

Pembentukan persamaan neraca
energi pada reaksi gasifikasi

Selesai

Gambar 12 Diagram alir proses pembuatan model kesetimbangan

17
Percobaan dan validasi model
Percobaan digunakan untuk memvalidasi model yang telah dibuat. Percobaan
dilakukan setelah model kesetimbangan dibentuk. Penjelasan langkah – langkah
percobaan adalah sebagai berikut:
1. Kadar air sabut kelapa (basis basah) diukur dengan langkah – langkah berikut
ini:
1) Sampel sabut kelapa diambil sebanyak 3 sampel dengan masing – masing
sekitar 100 gram per sampel (Gambar 13).
2) Bobot sampel sabut kelapa diukur menggunakan timbangan digital.
3) Sampel sabut kelapa diletakkan pada wadah lalu diletakkan di dalam oven
(Gambar 14) untuk dipanaskan selama 40 jam pada suhu konstan 105 oC.
4) Bobot akhir sabut kelapa diukur kembali menggunakan timbangan digital
(Gambar 15).
5) Kadar air sabut kelapa basis basah dihitung dengan membandingkan bobot
sabut kelapa kering dengan bobot sabut kelapa awal (sebelum dikeringkan)
6) Kadar air dari ketiga sampel dirata - ratakan. Nilai kadar air rata – rata
dijadikan sebagai kadar air sabut kelapa.

Gambar 13 Sampel sabut kelapa

Gambar 14 Peletakkan sampel sabut kelapa yang akan dikeringkan di dalam oven

Gambar 15 Penimbangan bobot akhir sampel sabut kelapa setelah dikeringkan

18
2. Laju aliran udara diatur dengan menggunakan kran yang ada di pipa
pemasukan udara. Laju aliran udara diukur menggunakan orifice meter yang
dilengkapi dengan manometer. Pada manometer akan terbaca perbedaan tinggi
muka air di dalam manometer (Gambar 16) yang selanjutnya digunakan untuk
mencari laju aliran udara menggunakan persamaan laju aliran udara pada
orifice meter.

Gambar 16 Perbedaan tinggi muka air pada manometer
3. Sabut kelapa ditimbang dengan menggunakan timbangan gantung (Gambar
17) sebelum dimasukkan ke dalam reaktor. Arang dimasukkan terlebih dahulu
hingga ruang di bawah daerah cekikan reaktor terpenuhi oleh arang, lalu sabut
kelapa dimasukkan sedikit demi sedikit (Gambar 18) ke dalam reaktor hingga
penuh (Gambar 19).

Gambar 17 Penimbangan
sabut kelapa

Gambar 18 Pemasukan sabut kelapa
ke dalam reaktor

Gambar 19 Reaktor yang telah terisi penuh oleh sabut kelapa

19
4. Suhu gasifikasi diukur dengan menggunakan termokopel tipe K. Termokopel
tipe K dipilih sebagai instrumen pengukuran karena dapat mengukur suhu
hingga 1370 oC. Titik pengukuran suhu pada penelitian ini disajikan pada
Gambar 20, yaitu pada zona oksidasi menggunakan termokopel batang dan
bagian paling bawah zona reduksi menggunakan termokopel kawat.

Titik pengukuran
suhu zona oksidasi
Titik pengukuran suhu
bagian bawah zona reduksi

Gambar 20 Titik pengukuran suhu zona oksidasi dan bagian bawah zona
reduksi
5. Komposisi gas yang dihasilkan diukur menggunakan gas analyzer. Komposisi
gas yang dapat diukur hanya CO, CO2, dan CH4, sehingga komposisi gas yang
divalidasi hanyalah ketiga gas tersebut. Sensor atau probe gas analyzer
diletakkan pada pipa keluaran gas dan tidak boleh menyentuh permukaan
dinding pipa (Gambar 22 dan Gambar 23). Pengukuran dilakukan sebanyak
tiga kali dengan interval waktu 25 menit selama 5 (lima) menit untuk masing –
masing pengukuran.

Gambar 21 Sensor gas analyzer yang diletakkan pada pipa keluaran gas

20

Gambar 22 Sensor yang tidak menyentuh permukaan dinding pipa
6. Data komposisi gas yang dihasilkan dari percobaan dan hasil model dibuat
perbandingannya lalu dianalisis dengan metode root mean square error
(RMSE) dan koefisien penentuan (R2). Rumus perhitungan metode root mean
square error (RMSE) adalah sebagai berikut:

RMSE =

2
∑N
i=1 (percobaani - modeli )

Jumlah data

(31)

Simulasi
Simulasi dilakukan setelah percobaan dan validasi model dilakukan.
Simulasi dilakukan untuk mengetahui perubahan komposisi gas dan suhu
gasifikasi akibat dari perubahan kadar air sabut kelapa dan terhadap perubahan
equivalence ratio (ER). Kadar air sabut kelapa yang disimulasikan adalah 5%,
10%, 15%, 20%, 25%, 30%, dan 35%, sedangkan equivalence ratio (ER) yang
disimulasikan adalah 0.15, 0.20, 0.25, 0.30, 0.35, 0.40, dan 0.45. Pemrograman
untuk simulasi disajikan pada Lampiran 1.

21

HASIL DAN PEMBAHASAN
Model Kesetimbangan Termodinamika
Berdasarkan data ultimate analysis sabut kelapa, diketahui bahwa
kandungan karbon, hidrogen, oksigen, dan nitrogen di dalam sabut kelapa berturut
– turut adalah 47.6%, 5.7%, 45.6%, dan 0.2%, sehingga rumus molekul sabut
kelapa dapat ditentukan dengan perhitungan sebagai berikut:
Karbon (C) = 47.6 * 1 / ArC = 47.6 * 1 / 12 = 3.97
Hidrogen (H) = 5.7 * 1 / ArH = 5.7 * 1 / 1 = 5.70
Oksigen (O) = 45.6 * 1 / ArO = 45.6 * 1 / 16 = 2.85
Nitrogen (N) = 0.2 * 1 / ArN = 0.2 * 1 / 14 = 0.0143
Sehingga, rumus molekul sabut kelapa dapat dinyatakan C3.97H5.7O2.85N0.0143 dan
rumus molekul tiap 1 mol atom karbon = CH1.44O0.72N0.0035
Reaksi total gasifikasi untuk sabut kelapa mengikuti persamaan (8), sehingga
reaksi total gasifikasi adalah sebagai berikut:
CH1.44O0.72N0.0035 + wH2O + m(O2 + 3.76N2) = x1H2 + x2CO + x3CO2 + x4H2O +
x5CH4 + (3.76m + z/2) N2 (32)
Dari persamaan reaksi gasifikasi di atas, diketahui bahwa terdapat lima
variabel yang tidak diketahui, yaitu x1, x2, x3, x4, dan x5, sedangkan w dapat
diketahui berdasarkan kadar air sabut kelapa dengan menggunakan persamaan (9),
dan m dapat diketahui dari laju aliran udara menggunakan perhitungan mol
oksigen pada persamaan (28). Oleh karena itu, diperlukan lima persamaan untuk
mengetahui nilai variabel yang belum diketahui.
Neraca massa
Persamaan neraca massa dari reaksi gasifikasi merupakan persamaan yang
menyatakan total massa pada produk sama dengan total massa pada reaktan untuk
suatu unsur tertentu. Neraca massa yang digunakan adalah neraca massa karbon,
hidrogen, dan oksigen. Total massa karbon pada reaktan didapatkan dari karbon
yang terkandung pada biomassa (dalam hal ini adalah sabut kelapa), sedangkan
total massa karbon dari produk didapatkan dari karbon yang terkandung pada CO,
CO2, dan CH4. Total massa hidrogen pada reaktan didapatkan dari hidrogen yang
terkandung pada biomassa (dalam hal ini adalah sabut kelapa) dan air yang
terkandung dalam biomassa, sedangkan total massa hidrogen pada produk
didapatkan dari hidrogen yang terkandung pada H2, H2O, dan CH4. Total massa
oksigen pada reaktan didapatkan dari oksigen yang terkandung pada biomassa
(dalam hal ini adalah sabut kelapa) dan udara yang digunakan, sedangkan total
massa oksigen pada produk didapatkan dari oksigen yang terkandung pada CO,
CO2, dan H2O. Dari persamaan (32) dapat dibentuk persamaan neraca massa
karbon, hidrogen, dan oksigen untuk reaksi total gasifikasi sabut kelapa, yaitu:
Neraca massa karbon:
1 = x2 + x3 + x5

(33)

1.44 + 2w = 2x1 + 2x4 + 4x5

(34)

Neraca massa hidrogen:

22
Neraca massa oksigen:
(35)

0.72 + w + 2m = x2 + 2x3 + x4

Konstanta kesetimbangan reaksi
Konstanta kesetimbangan reaksi yang digunakan untuk reaksi gasifikasi
adalah konstanta kesetimbangan water-gas shift reaction dan methanation
reaction (Jarungthammachote dan Dutta 2006). Persamaan water-gas shift
reaction dan methanation reaction disajikan pada Tabel 3.
Persamaan konstanta kesetimbangan water-gas shift reaction:
k1 =

nCO2 nH2 x3 x1
=
nCO nH2 O x2 x4

(36)

Persamaan konstanta kesetimbangan methanation reacton:
k2 =

nCH4 ntotal x5 xtotal
=
n2H2
x21

(37)

Untuk memperoleh nilai x1, x2, x3, x4, dan x5, maka persamaan (33) hingga
persamaan (37) berturut – turut diubah bentuknya menjadi persamaan berikut ini:
f1 = 1 - x2 - x3 - x5 = 0
(38)
f2 = 1.44 + 2w - 2x1 - 2x4 - 4x5 = 0
(39)
f3 = 0.72 + w + 2m - x2 - 2x3 - x4 = 0
(40)
f4 = k1 (x2 x4) - (x3 x1) = 0
(41)
2
f5 = k2 (x1) - x5 xtotal = 0
(42)
Iterasi menggunakan Newton-Raphson method dilakukan terhadap persamaan (38)
hingga persamaan (42). Dalam penentuan nilai perubahan komposisi gas (∆x1,
∆x2, ∆x3, ∆x4, dan ∆x5), digunakan metode Gauss dengan terlebih dahulu
menyusun turunan parsial persamaan (38) hingga persamaan (42) ke dalam
matriks, seperti yang disajikan pada persamaan (43). Iterasi dilakukan dengan
mengambil nilai dugaan awal terhadap suhu, x1, x2, x3, x4, dan x5. Fungsi neraca
energi (persamaan (44)) dibentuk mengikuti persamaan (16) dengan menggunakan
persamaan (17) hingga persamaan (20). Secara ringkas tahapan perhitungan
komposisi gas dan suhu gasifikasi disajikan pada Gambar 24.
∂f1 /∂x1
f1
∂f /∂x
⎛f2 ⎞ ⎛ 2 1
⎜f3 ⎟ = ⎜∂f3 /∂x1
f4
∂f4 /∂x1
⎝f5 ⎠ ⎝∂f5 /∂x1

∂f1 /∂x2
∂f2 /∂x2
∂f3 /∂x2
∂f4 /∂x2
∂f5 /∂x2

∂f1 /∂x3
∂f2 /δx3
∂f3 /∂x3
∂f4 /∂x3
∂f5 /∂x3

∂f1 /∂x4
∂f2 /∂x4
∂f3 /∂x4
∂f4 /∂x4
∂f5 /∂x4

∂f1 /∂x5
∆x1
∂f2 /∂x5
⎞ ⎛∆x2 ⎞
∂f3 /∂x5 ⎟ ⎜∆x3 ⎟
∆x4
∂f4 /∂x5
∂f5 /∂x5 ⎠ ⎝∆x5 ⎠

(43)

0
hf sabut kelapa + w hf,H
+ m h0f,O2 + 3.76m h0f,N2 = x1 h0f,H2 +Cp,H2 ∆T
2 ( )
+ x2 h0f,CO +Cp,CO ∆T + x3 h0f,CO2 +Cp,CO2 ∆T + x4 h0f,H2 O( g) +Cp,H2 O( g) ∆T
z
(44)
+ x5 h0f,CH4 +Cp,CH4 ∆T + ( +3.76m) h0f,N2 +Cp,N2 ∆T
2

23

Mulai

Suhu (T) dugaan awal, x1, x2,
x3, x4, dan x5 dugaan awal,
dan m

Perhitungan nilai
konstanta
kesetimbangan

T = Tbaru,
x1 = x1 baru,
x2 = x2 baru,
x3 = x3 baru,
x4 = x4 baru,
x5 = x5baru

Perhitungan komposisi gas yang dihasilkan dengan
melakukan iterasi Newton-Raphson method terhadap
persamaan neraca massa dan konstanta kesetimbangan

x1 baru, x2 baru, x3 baru, x4 baru, dan x5 baru

Perhitungan suhu gasifikasi dengan melakukan iterasi
Newton-Raphson method terhadap persamaan neraca energi

Tbaru

Tidak
|Tbaru – T| < 0.01

Ya
x1, x2, x3, x4, x5, T

Selesai

Gambar 23 Tahapan perhitungan komposisi gas dan suhu gasifikasi

Percobaan dan Validasi Model
Kadar air sabut kelapa
Sabut kelapa yang telah dijemur, dipotong menjadi ukuran yang relatif kecil.
Dimensi sabut kelapa rata – rata dari 10 sampel yang diambil adalah panjang 5.75
cm, lebar 4.35 cm, dan tebal 2.5 cm. Proses pengukuran dimensi sabut kelapa

24
disajikan pada Gambar 25. Sabut kelapa yang telah dipotong dimasukkan ke
dalam karung lalu diukur kadar airnya dengan mengambil 1 (satu) sampel
sebanyak sekitar 100 gram sabut kelapa dari masing - masing karung. Kadar air
rata – rata sabut kelapa yang yang terukur dan digunakan untuk percobaan adalah
15.93 %. Data pengujian kadar air sampel sabut kelapa disajikan pada Tabel 7.
Kadar air sabut kelapa ini cukup baik untuk proses gasifikasi karena Jayah et al
(2003) dalam Jarungthammachote dan Dutta (2006) melakukan percobaan
gasifkasi pada kadar air kayu 14% dan 16%, Altafini et al (2003) dalam
Jarungthammachote dan Dutta (2006) melakukan percobaan gasifikasi pada kadar
air kayu 10%, dan Alauddin (1996) dalam Vaezi et al (2008) melakukan
percobaan gasifikasi pada kadar air kayu 20%.

(a)

(b)

(c)

Gambar 24 Pengukuran dimensi sabut kelapa yang telah dipotong; (a) panjang,
(b) lebar, dan (c) tebal
Tabel 7 Data pengujian kadar air sampel sabut kelapa
Sampel Bobot awal (gram) Bobot akhir (gram) Kadar air (%)
1
85.93
15.46%
101.65
2
101.57
84.56
16.75%
3
101.00
85.27
15.57%
Rata – rata
15.93%

Laju aliran udara
Laju aliran udara yang digunakan adalah 7.96 m3 / jam dengan equivalence
ratio (ER) adalah 0.38. Hal ini didapatkan dari perhitungan di mana perbedaan
tinggi muka air pada kolom manomet