DEKOMPOSISI KATALITIK TAR DENGAN BIJIH BESI KUALITAS RENDAH SEBAGAI KATALISATOR

DONI RAHMAT WICAKSO, Prof. Ir. Arief Budiman, MS., D.Eng.; Prof. Ir. Rochmadi, SU., Ph.D.; Ir. Sutijan, MT., Ph.D.

2018 | Disertasi | S3 ILMU TEKNIK KIMIA

Permasalahan utama dari proses pirolisis adalah terbentuknya tar yang dapat menimbulkan penyumbatan dalam pipa, korosi dan terbentuknya tar aerosol. Oleh sebab itu, perlu diambil langkah untuk mendekomposisi tar menjadi senyawa yang lebih berguna. Dalam penelitian ini, proses yang digunakan adalah dekomposisi katalitik dengan menggunakan bijih besi kualitas rendah sebagai katalisator. Tujuan dari penelitian ini adalah mempelajari pengaruh penggunaan bijih besi kualitas rendah sebagai katalisator pada proses dekomposisi tar, mempelajari kinetika reaksi dekomposisi tar dalam reaktor fixed-bed dan melakukan analisis eksergi dalam proses dekomposisi tar secara katalitik. Percobaan dijalankan dengan menggunakan reaktor fixed-bed yang dilengkapi dengan vaporizer untuk menguapkan tar. Reaksi dilakukan pada suhu 500 sampai 700 oC dan tinggi bed katalis 0,67 sampai 2,68 cm. Produk yang dihasilkan adalah bio-oil, char dan gas. Produk bio-oil dianalisis menggunakan GC-MS dan produk gas dianalisis menggunakan GC. Ada 5 model kinetika reaksi yang dikembangkan, yaitu model reaksi tunggal, 3-lump, 4-lump, 5-lump dan 8-lump. Sedangkan analisis eksergi dilakukan untuk mencari konfigurasi proses dekomposisi tar dengan menggunakan katalisator bijih besi kualitas rendah yang hemat energi. Analisis eksergi dilakukan dengan menghitung exergy loss (EXL) dari peralatan proses yang digunakan. Ada 4 konfigurasi proses yang dipelajari untuk analisis eksergi, yaitu konfigurasi A tanpa penambahan alat (eksisting), konfigurasi B dengan penambahan preheater, konfigurasi C dengan penambahan 1 heater setelah vaporizer dan konfigurasi D yang menggabungkan konfigurasi B dan C. Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu reaksi dan tinggi bed katalis, yield gas mengalami kenaikan sampai 93,72% (pada T=700 oC dan tinggi bed 2,68 cm), char fluktuatif antara 0,02 sampai 2,48%, dan bio-oil akan terus menurun sampai 3,86%. Semakin tinggi suhu reaksi dekomposisi dan tinggi bed katalis, senyawa asam, keton, oksigenat dan phenol cenderung menurun, sedangkan senyawa hidrokarbon bersifat fluktuatif. Disamping itu juga terbentuk senyawa-senyawa tar baru dari golongan hidrokarbon aromatik cincin 1, golongan poli hidrokarbon aromatik (PAH) cincin 2 dan 3. Terbentuknya senyawa-senyawa hidrokarbon aromatik baru ini disebabkan karena terjadinya reaksi kombinasi langsung dari cincin-cincin aromatik yang sudah tidak stabil akibat lepasnya atom H+ atau alkilnya. Dari kajian kinetika yang dilakukan, model reaksi tunggal mempunyai nilai SSE yang paling kecil, tetapi model ini tidak dapat mengambarkan mekanisme reaksi secara detail. Model 8-lump adalah model yang paling detail untuk mengetahui mekanisme reaksi, yang terdiri dari kelompok senyawa oksigenat siklik, oksigenat alifatik, hidrokarbon dengan jumlah C lebih dari 12, hidrokarbon dengan jumlah C antara 5 sampai 11, hidrokarbon dengan jumlah C antara 1 sampai 4, coke, CO plus CO2, dan hidrogen (H2). Dalam analisis eksergi, penurunan EXL pada konfigurasi D adalah paling besar dibandingkan dengan konfigurasi yang lainnya, yaitu antara 42,45 sampai 55,39%.

The main problem of the pyrolysis process is the formation of tar which can introduce several operational problems such as pipe blockage, corrosion and the formation of aerosol tar. Therefore, it is necessary to take steps for removing or decomposing tar into the more useful compounds. This research used catalytic process using low quality iron ore as catalyst to decompose tar. The purpose of this study was to study the effect of using low grade iron ore as a catalyst on the tar decomposition process, study the kinetics of tar decomposition reactions in fixed-bed reactors and perform an exergy analysis of tar decomposition process catalytically. The experiment was carried out using a fixed-bed reactor equipped with a preheater to evaporate the tar. The reaction was carried out at a temperature of 500 to 650 oC and catalyst thickness of 0.67 to 2.68 cm. The products were bio-oil, char and gas. The bio-oil product was analyzed using GC-MS and the gas was analyzed using GC. There were 5 models of reaction kinetics developed; single reaction model, 3-lump, 4-lump, 5-lump and 8-lump. The exergy analysis is done to find the most energy-efficient configuration of tar decomposition process using low grade iron ore. Exergy analysis is performed by calculating exergy loss (EXL) of the process equipment used. There were 4 process configurations studied, ie configuration A without addition of equipment (existing), configuration B with preheater addition, configuration C with addition of 1 heater after vaporizer and configuration D by combining configuration B and C. The results showed that with increasing temperature and catalyst bed height, the gas yield increased up to 93.72% at temperature of 700 oC and bed length of 2.68 cm, the char product fluctuated between 0.02 to 2.48%, and the bio-oil continually decreased to 3.86%. By increasing temperature and catalyst bed height, the acid, ketone, oxygenated and phenol compounds tended to decrease, while the hydrocarbon compounds fluctuated. In addition, new tar groups of aromatic hydrocarbon of ring 1, poly aromatic hydrocarbon of ring 2 and 3 groups were also formed. The formation of these new aromatic hydrocarbons is due to direct combination reaction of the unstable aromatic rings because the loss of H+ ionic or its alkyls. From the kinetics studies performed, the single reaction model has the smallest SSE value, but this model has not described the mechanism of the reaction in detail. The 8-lump model is the most detailed model for description of the reaction mechanism of the tar decomposition, consist of the group of cyclic oxygenated compounds, aliphatic oxygenated compounds, hydrocarbons more than C12, hydrocarbons of C5 to C11, hydrocarbons of C1 to C4, coke, CO plus CO2 and hydrogen (H2) . For exergy analysis, the decrease of EXL in configuration D is the greatest compared to the other configuration, between 42.45 to 55.39%.

Kata Kunci : Tar, dekomposisi, katalitik, kinetika, eksergi