REAKSI DEKOMPOSISI KATALITIK METANA
MENGGUNAKAN
HERRY
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
REAKSI DEKOMPOSISI KATALITIK METANA
MENGGUNAKAN
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
SKRIPSI
HERRY PRASETYO ANGGORO
0606076444
UNIVERSITAS INDONESIA
FAKULTAS TEKNIK
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
DEPOK
REAKSI DEKOMPOSISI KATALITIK METANA
REAKSI DEKOMPOSISI KATALITIK METANA
MENGGUNAKAN
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana.
HERRY
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
REAKSI DEKOMPOSISI KATALITIK METANA
MENGGUNAKAN
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana.
HERRY PRASETYO ANGGORO
0606076444
UNIVERSITAS INDONESIA
FAKULTAS TEKNIK
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
DEPOK
REAKSI DEKOMPOSISI KATALITIK METANA
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk
telah saya nyatakan dengan benar.
Nama : Herry Prasetyo Anggoro
NPM : 0606076444
Tanda Tangan :
Skripsi ini diajukan oleh :
Nama : Herry Prasetyo Anggoro
NPM : 0606076444
Program Studi : Teknik Kimia
Judul Skripsi : Pemodelan Reaktor Terstruktur Gauze untuk Produksi Nanokarbon dan Hidrogen Melalui Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana Menggunakan Computational Fluid Dynamics
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana pada Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.
DEWAN PENGUJI
Pembimbing 1 : Dr. rer. nat. Ir. Yuswan Muharam, MT ( ) Pembimbing 2 : Prof. Dr. Ir. Widodo Wahyu Purwanto, DEA ( ) Penguji : Dr. Ir. Asep Handaya Saputra, M. Eng ( )
Penguji : Ir. Dijan Supramono, M. Sc ( )
Ditetapkan di : Depok Tanggal : 2 Juli 2010
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur saya panjatkan kepada Allah SWT atas berkat, rahmat, penyertaan, dan bimbingan-Nya sehingga saya dapat menyelesaikan skripsi ini tepat pada waktunya. Skripsi dengan judul “Pemodelan Reaktor Terstruktur Gauze untuk Produksi Nanokarbon dan Hidrogen Melalui Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana Menggunakan Computational Fluid Dynamics” ini disusun sebagai salah satu persyaratan akademis untuk meraih gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Kimia FTUI.
Pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Dr. rer. nat. Ir. Yuswan Muharam, MT dan Prof. Dr. Ir. Widodo W. Purwanto, DEA, selaku dosen pembimbing, yang selalu sabar dan bersedia meluangkan waktu, tenaga, dan pikiran dalam membimbing dan mengarahkan selama proses penyusunan skripsi ini. Pada kesempatan ini, penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada:
1. Prof. Dr. Ir. Widodo W. Purwanto, DEA, selaku Ketua Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia.
2. Dr. Ir. Asep Handaya Saputra, MT selaku penguji.
3. Ir. Yuliusman M.Eng., selaku kordinator mata kuliah skripsi.
4. Pembimbing Akademis, Ir. Dijan Supramono, M. Sc dan seluruh staff pengajar yang telah bersedia membimbing dan memberikan ilmu yang sangat berguna bagi penulis.
5. Bu Wulan atas diskusi-diskusi dan bimbingannya selama mengerjakan skripsi ini.
6. Mang Ijal, Mbak Tiwi, Mas Sriyono, dan semua karyawan DTK yang selalu membantu dalam penyelesaian penelitian dan penyusunan skripsi ini.
5. Ibu dan Ayah yang selalu mendampingi, memberikan nasihat, dan membantu, baik secara moril maupun materiil.
6. Diandra Novita yang selalu memberikan semangat dan membantu dalam melakukan penyusunan skripsi ini.
7. Partner penelitian saya, Peter Firstian, serta teman-teman Teknik Kimia UI angkatan 2006 yang selalu memberi semangat, mendukung, dan menghibur pada masa-masa sulit.
8. Semua pihak yang telah membantu, baik secara langsung maupun tidak langsung, yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Terima kasih atas segala bantuan, pengorbanan, dan usaha yang telah diberikan.
Penulis berharap tulisan ini dapat bermanfaat bagi setiap orang yang membacanya. Disadari masih banyak terdapat kekurangan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu, saran dan kritik sangat penulis harapkan agar perbaikan dapat terus dilakukan untuk mencapai hasil yang lebih baik lagi.
Depok, 13 Juli 2010
Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Herry Prasetyo Anggoro
NPM : 06060676444
Program Studi : Teknik Kimia Departemen : Teknik Kimia Fakultas : Teknik Jenis karya : Skripsi
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty- Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul :
Pemodelan Reaktor Terstruktur Gauze untuk Produksi Nanokarbon dan Hidrogen Melalui Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana Menggunakan Computational Fluid Dynamics beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di : Depok
Pada tanggal : 13 Juli 2010 Yang menyatakan
Nama : Herry Prasetyo Anggoro Program Studi : Teknik Kimia
Judul : Pemodelan Reaktor Terstruktur Gauze untuk Produksi Nanokarbon dan Hidrogen Melalui Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana Menggunakan Computational Fluid Dynamics Reaktor terstruktur gauze digunakan sebagai solusi dari masalah yang ditemukan pada penggunaan reaktor fixed bed untuk reaksi dekomposisi katalitik metana. Reaktor terstruktur gauze memiliki beberapa kelebihan, yaitu memiliki pressure drop yang rendah dan konversi lebih tinggi. Pada penelitian ini, dilakukan pemodelan dan simulasi reaktor terstruktur gauze menggunakan Computational Fluid Dynamics yang mengacu pada kinetika Snoeck, 1997. Pemodelan hanya mempertimbangkan neraca massa dan momentum, di mana reaktor diasumsikan bersifat isotermal. Simulasi dilakukan dengan mengubah-ubah variabel proses seperti temperatur reaktor, komposisi masukkan, tekanan masukkan, dan kecepatan masuk. Melalui simulasi variasi proses, dapat diketahui pengaruh perubahan kondisi operasi terhadap kinerja reaktor, seperti pada kenaikan temperatur akan menyebabkan konversi reaktor semakin meningkat.
Kata kunci:
Reaktor terstruktur gauze, pemodelan, simulasi, CFD ABSTRACT
Name : Herry Prasetyo Anggoro Study Program : Chemical Engineering
Title : Modeling Gauze Structured Reactor for the Production of Hydrogen and Nanocarbon Through Catalytic Decomposition of Methane Reaction Using Computational Fluid Dynamics
Gauze structured reactors are used as the solution of problems found in the use of fixed bed reactor for reaction of catalytic decompotition methane. Gauze structured reactor has several advantages, having a low pressure drop and higher conversion. In this study, the modeling and simulation of structured gauze reactor using Computational Fluid Dynamics refers to the kinetic Snoeck, 1997. Modelling only consider the mass balance and momentum, where the reactor is assumed to be isothermal. Simulations carried out by varying process variables such as reactor temperature, inlet composition, inlet pressure and inlet velocity. Through the simulation process variations, we can know the effect of changing operating conditions on reactor performance, such as the rise in temperature will cause the reactor conversion increases.
Key words:
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS... ii
HALAMAN PENGESAHAN... iii
KATA PENGANTAR ... iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vi
ABSTRAK ... vii
DAFTAR ISI ... viii
DAFTAR GAMBAR ...x
DAFTAR TABEL ... xi
BAB 1PENDAHULUAN ...1
1.1 Latar Belakang Masalah ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 3
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Batasan Masalah ... 4
1.5 Sistematika Penulisan ... 4
BAB 2TINJAUAN PUSTAKA ...6
2.1 Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana ... 6
2.2 Reaktor Gauze Untuk Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana ... 7
2.3 Kondisi Operasi Dekomposisi Katalitik Metana ... 9
2.4 Katalis Terstruktur ... 10
2.5 Peristiwa Perpindahan dan Reaksi yang Terjadi di sepanjang Reaktor (Nauman, 2001)... 11
2.6 Neraca Massa, Energi, dan Momentum (Bird, 2003) ... 13
2.6.1 Neraca Massa ... 13
2.6.2 Neraca Energi Panas ... 14
2.6.3 Neraca Momentum ... 16
2.6.4 Computational Fluid Dynamics (Coker, 2001) ... 17
BAB 3METODE PENELITIAN ...20
3.1 Diagram Alir Prosedur Penelitian ... 20
3.2 Prosedur Penelitian ... 21
3.2.1 Studi Literatur ... 21
3.2.3 Pembuatan Geometri ... 21
3.2.4 Penyusunan Model ... 22
3.2.5 Pengecekan Model ... 22
3.2.6 Pengecekan Geometri... 22
3.2.7 Simulasi ... 23
3.2.8 Analisis Hasil Simulasi ... 23
BAB 4PEMODELAN DAN SIMULASI REAKTOR GAUZE ...24
4.1 Pemodelan Reaktor Gauze ... 24
4.1.1 Skala Reaktor ... 25
4.1.2 Lapisan Batas (Perpindahan Antar Fasa) ... 26
4.1.3 Skala Partikel Katalis ... 27
4.2 Kondisi Batas ... 29
4.2.1 Kondisi Batas Reaktor... 29
4.3 Simulasi Reaktor Gauze dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics ... 30
4.3.1 Pemodelan Reaktor ... 31
BAB 5ANALISIS HASIL SIMULASI...49
5.1 Analisis Hasil Simulasi Reaktor Gauze ... 49
5.2 Pengaruh Perubahan Variabel Proses ... 60
5.2.1 Pengaruh Tekanan Terhadap Konversi CH4 ... 61
5.2.2 Pengaruh Temperatur Terhadap Konversi CH4 ... 63
5.2.3 Pengaruh Kecepatan Terhadap Konversi CH4 ... 64
5.2.4 Pengaruh Komposisi Masukan Terhadap Konversi ... 65
BAB 6KESIMPULAN DAN SARAN ...67
6.1 Kesimpulan ... 67
6.2 Saran ... 68
DAFTAR PUSTAKA ...69
Gambar 2. 1 (a) Substrat anyaman kawat (gauze) baja sebelum (b) setelah dibentuk (c) Reaktor katalis terstruktur sebelum reaksi (d) dan (e) setelah reaksi
(f) hasil nanotube karbon ... 7
Gambar 2. 2 Tampak depan dan tampak samping reaktor gauze (Yulianti, 2008) . 9 Gambar 2. 3 Beberapa contoh katalis terstruktur: (a) Katalis monolitik, (Heibel, 2001) (b) Katalis dengan paten KATAPAK ... 11
Gambar 2. 4 Ilustrasi pori-pori katalis dan tahanan film di partikel katalis (Nauman, 2001)... 12
Gambar 3. 1 Diagram penelitian ... 20
Gambar 4. 1 Tampilan awal COMSOL ... 32
Gambar 4. 2 Tampilan multiphysics di dalam COMSOL... 33
Gambar 4. 3 Tampak penampang reaktor gauze ... 34
Gambar 4. 4 Silinder katalis ... 35
Gambar 4. 5 Persilangan katalis ... 36
Gambar 4. 6 a. Model persilangan katalis; b. Penampang persilangan katalis ... 37
Gambar 4. 7 Subdomain setting pada modul convection and diffusion ... 39
Gambar 4. 8 Boundary Settings pada Convection and Conduction ... 43
Gambar 4. 9 Boundary settings pada incompressible navier stokes ... 45
Gambar 4. 10 Profil CH4 di sepanjang reaktor ... 48
Gambar 5. 1 Profil konsentrasi metana di sepanjang reaktor... 52
Gambar 5. 2 Konsentrasi hidrogen di sepanjang reaktor ... 53
Gambar 5. 3 Konsumsi metana di sepanjang reaktor ... 54
Gambar 5. 4 Produksi hidrogen di sepanjang reaktor ... 54
Gambar 5. 5 Profil kecepatan di potongan pertama reaktor... 56
Gambar 5. 6 Profil kecepatan rata-rata arah y di sepanjang reaktor ... 57
Gambar 5. 7 Profil kecepatan di sepanjang reaktor pada titik x ... 58
Gambar 5. 8 Profil aliran Fluida di sepanjang bagian reaktor potongan pertama. 58 Gambar 5. 9 Bilangan Reynold di sepanjang bagian reaktor potongan pertama .. 59
Gambar 5. 10 Profil kecepatan di sekitar dinding katalis ... 60
Gambar 5. 11 Profil konsentrasi CH4 dengan tekanan 1 atm (), 5 atm (), dan 10 atm () terhadap panjang reaktor, L ... 61
Gambar 5. 12 Hubungan antara laju reaksi terhadap tekanan parsial (Snoeck, 1997) ... 62
Gambar 5. 13 Profil konsentrasi CH4 dengan temperatur 923 K (), 973 K (), dan 1023 K () terhadap panjang reaktor, L ... 63
Gambar 5. 14 Profil konsentrasi CH4 dengan kecepatan masuk 1e-3 m/s (), 7.734e-3 m/s (), dan 15e-3 m/s () terhadap panjang reaktor, L ... 65
Gambar 5. 15 Profil konsentrasi metana dengan komposisi masukan CH4=0.9 H2=0.1 (), CH4=0.5 H2=0.5 (), dan CH4=1 H2=0 () terhadap panjang reaktor, L ... 66
Tabel 2. 1 Rangkuman hasil penggunaan reaktor ... 8
Tabel 4. 1 Kondisi batas yang digunakan pada multiphysic convection and diffusion ... 41
Tabel 4. 2 Kondisi batas yang digunakan pada multiphysic incompressible navier stokes ... 43
Tabel 4. 3 Variabel-variabel konstanta ... 46
Tabel 4. 4 Variabel-variabel persamaan di dalam scalar expressions ... 47
1.1 Latar Belakang Masalah
Pada bidang teknologi, penelititan tentang nanoteknologi menjadi sorotan karena peningkatan kemampuan fisikal dan kemampuan modifikasi dari material nano. Nanokarbon, khususnya yang berbentuk tabung (tube) adalah contoh nanopartikulat material paling terkenal untuk mewujudkan nanoteknologi karena memiliki karakteristik yang luar biasa sebagai material sehingga menjanjikan pemanfaatan yang luas. Produksi nanokarbon secara komersial umumnya menggunakan proses arch-discharge penguapan graphite dan dekomposisi plasma yang menghasilkan karbon berbentuk amorph. Namun, proses tersebut membutuhkan energi yang sangat besar dan memerlukan pemurnian produk sehingga biaya produksinya sangat mahal dan sulit di scale-up (Li, 2000).
Pada bidang lingkungan, pemanasan global menjadi permasalahan yang mendapat sorotan. Konsumsi energi besar-besaran, terutama yang berasal dari fosil adalah salah satu sumber timbulnya gas rumah kaca penyebab pemanasan global. Hidrogen merupakan salah satu alternatif sumber energi yang dapat menghasilkan energi yang besar dan efisien serta ramah lingkungan. Penggunaan hidrogen dilakukan melalui aplikasi H2-O2 fuel cell yang menuntut tingkat
kemurnian hidrogen sangat tinggi dari senyawa CO karena bersifat meracuni anode-elektrokatalis pada fuel cell tesebut. Proses produksi hidrogen yang banyak digunakan saat ini adalah reformasi kukus metana: (CH4 + H2O CO + 3 H2,
∆H298K = +206 kJ/mol). Proses ini menghasilkan senyawa CO melebihi toleransi
yang diperkenankan untuk aplikasi fuel cell (10-20 ppm), sehingga membutuhkan unit tambahan untuk proses pemurnian yang terbilang cukup kompleks dan tidak ekonomis.
Dekomposisi katalitik metana telah terbukti sebagai salah satu alternatif untuk memproduksi hidrogen dan nanokarbon bermutu tinggi secara ekonomis dan simultan dengan reaksi sebagai berikut:
Pada reaksi ini, hidrogen yang dihasilkan bebas kontaminan CO dan berlangsung pada temperatur yang lebih rendah sehingga proses pemurnian CO tidak diperlukan dan kebutuhan energi lebih sedikit dibandingkan proses steam reforming (Li, 2000, Ermakova, 2000). Produk lain yang berupa produk nanokarbon juga sekaligus dapat dihasilkan melalui reaksi ini. Dengan demikian, dekomposisi katalitik metana menjadi solusi menarik untuk menjawab kedua permasalahan yang telah dipaparkan sebelumnya.
Pengembangan reaktor dekomposisi katalitik metana merupakan salah satu opsi selain pengembangan katalis. Beberapa penelitian telah dilakukan dalam merancang reaktor untuk produksi skala besar dengan menggunakan jenis reaktor fixed bed, spouted bed atau fluidized bed, diantaranya adalah Muradov, 2000; Wang, 2002 , Weizhong, 2004; dan Morancais, 2007. Penggunaan reaktor jenis fixed bed (unggun diam) untuk reaksi dekomposisi metana akan mengalami penyumbatan dikarenakan deposisi karbon pada katalis yang menyebabkan kenaikan pressure drop (Purwanto, 2005). Muradov, 2001 menggunakan spouted bed reactor, dimana metana dialirkan dari dasar reaktor dengan kecepatan tinggi sehingga menimbulkan spouting zone di tengah reaktor. Proses ini dapat dilakukan dengan menetapkan kecepatan superfisial gas 2 cm/s dan rasio tinggi reaktor terhadap diameternya 5 sampai 6 yang menghasilkan pencampuran katalis tidak homogen sehingga konversi metana yang dihasilkan sangat kecil, 7%. Reaktor jenis lainnya yaitu fluidized bed telah diteliti oleh Muradov, 2001, Wang, 2002, Weizhong, 2004 dan Morancais, 2007. Dari beberapa penelitian ini, reaktor fluidized bed memberikan konversi metana yang rendah pula < 40% karena waktu tinggal raektan yang singkat sehingga tidak mendapatkan hidrogen murni, disamping itu sulit mengontrol laju alir umpan dikarenakan perubahan ukuran partikel katalis selama reaksi dan terjadi aglomerasi dan sticking dari partikel-partikel nano karbon.
Perkembangan teknologi berbantuan komputer telah demikian pesat. Dalam ilmu kimia, khususnya teknik kimia, penggunaannya telah meluas mulai dari hal-hal yang sederhana hingga hal-hal yang cukup kompleks misalnya pemodelan dari suatu alat atau sistem seperti reaktor.
Reaktor adalah bagian yang sangat vital dalam proses kimia. Hal ini disebabkan karena reaktor merupakan alat di mana proses reaksi kimia untuk membuat suatu produk berlangsung. Oleh karena itu perancangan suatu reaktor yang sesuai dengan proses yang akan terjadi sangat penting dan memerlukan perhatian yang besar, sehingga menghasilkan konfigurasi yang maksimum.
Dalam penelitian ini, akan dilakukan pemodelan reaktor dengan katalis terstruktur berbentuk wire gauze. Hal ini dikarenakan dalam melakukan perancangan reaktor perlu dilakukan prediksi dan estimasi untuk mengetahui berbagai parameter yang terlibat di dalam sistem sehingga kita dapat mempersiapkan atau merekayasa sistem pada kondisi yang seefisien mungkin. Untuk keperluan perancangan ini, dibutuhkan sebuah model serta simulasi komputer yang dapat mewakili karakteristik reaktor dengan katalis terstruktur berbentuk wire gauze tersebut.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan di atas, maka rumusan masalah dari penelitian ini adalah bagaimana melakukan pemodelan reaktor gauze untuk produksi nanokarbon melalui reaksi dekomposisi katalitik metana yang kemudian dibuat simulasi berbantuan komputer agar dapat diketahui interaksi dari berbagai parameter yang berpengaruh terhadap kinerja sistem. Simulasi dilakukan dengan menggunakan metode finite elemen yang dibantu dengan software COMSOL.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Mendapatkan informasi hidrodinamika, pola aliran, dan juga peristiwa perpindahan yang terjadi di dalam reaktor.
2. Membuat model matematis yang dapat mewakili reaktor gauze dengan memperhitungkan kinetika, perpindahan massa dan perubahan momentum ke arah memanjang reaktor maupun ke arah penampang reaktor pada skala reaktor dan skala partikel katalis.
3. Mensimulasikan model yang dibuat untuk mengetahui pengaruh kondisi operasi terhadap kinerja reaktor.
1.4 Batasan Masalah
Batasan pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Reaktor yang digunakan adalah reaktor berbentuk tubular. 2. Katalis yang digunakan berbentuk silinder.
3. Sistem yang digunakan steady-state.
4. Aliran di dalam reaktor bergerak pada arah x, y, dan z.
5. Tekanan tidak berubah secara signifikan di sepanjang reaktor.
6. Sistem isotermal karena perubahan temperatur tidak begitu signifikan. 7. Konstanta difusi ke arah x, y, dan z besarnya sama.
8. Sistem ditinjau menjadi dua bagian, yaitu skala reaktor dan skala partikel katalis.
9. Reaksi hanya terjadi di permukaan eksternal katalis (padat).
10.Data kinetika intrinsik didapatkan dari penelitian yang dilakukan oleh Snoeck, 1997.
11.Metode numerik yang digunakan adalah metode finite elemen yang dibantu dengan software COMSOL.
12.Reaktor dibagi-bagi menjadi unit geometri keci atau persilangan katalis yang dianggap sama untuk setiap persilangan katalis.
13.Kinerja reaktor yang dievaluasi adalah profil konsentrasi metana dan hidrogen, temperatur, kecepatan, dan tekanan.
1.5 Sistematika Penulisan BAB 1 Pendahuluan
Berisi latar belakang, rumusan masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, dan sistematika penulisan.
BAB 2 Tinjauan Pustaka
Berisi tinjauan literatur mengenai reaksi dekomposisi metana, reaktor gauze untuk reaksi dekomposisi metana, kondisi
operasi dekomposisi metana, katalis terstruktur, peristiwa perpindahan, dan reaksi yang terjadi di sepanjang reaktor BAB 3 Metode Penelitian
Berisi diagram alir penelitian, prosedur penelitian yang di dalamnya menjelaskan mengenai langkah-langkah yang dilakukan untuk mencapai tujuan penelitian.
BAB 4 Pemodelan dan Simulasi Reaktor Gauze
Berisi mengenai pemodelan dan simulasi reaktor yang di dalamnya menjelaskan mengenai langkah-langkah pembuatan model matematis dan simulasi reaktor dengan menggunakan COMSOL Multiphysics.
BAB 5 Analisis Hasil Simulasi
Berisi tentang analisis dari hasil simulasi. Simulasi dilakukan dengan mengubah-ubah tekanan masuk, temperatur reaktor, komposisi masukkan, dan kecepatan masuk.
BAB 6 Kesimpulan dan Saran
Berisi tentang kesimpulan dari penelitian mengenai pengaruh perubahan variabel operasi terhadap konversi reaktor dan saran untuk menghasilkan hasil simulasi yang lebih baik dan lebih representatif terhadap reaktor yang sebenarnya.
2.1 Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana
Dekomposisi didefinisikan sebagai salah satu dari reaksi kimia yang menguraikan atau memutuskan ikatan rantai suatu senyawa menjadi unsur-unsur atau senyawa yang lebih sederhana (Muradov, 2001). Dekomposisi metana atau yang dikenal dengan methane decomposition reaction (MDR) memutuskan ikatan H-C dari metana menjadi komponen yang lebih sederhana yaitu hidrogen dan karbon. Reaksinya (Muradov, 2001):
CH4 C + 2H2, ∆H298 =+75kJ/mol (2.1)
Nilai ∆Hro yang positif membuktikan bahwa reaksi tersebut bersifat
endotermis. Pada reaksi yang endotermis, konversi akan meningkat seiring dengan meningkatnya suhu reaksi sehingga reaksi ini harus dilakukan pada suhu yang tinggi. Oleh karena itu, untuk memperoleh temperatur reaksi yang tidak terlalu tinggi perlu ditambahkan katalis yang dapat menurunkan energi aktivasi. Dengan turunnya energi aktivasi, energi yang dibutuhkan oleh reaksi akan berkurang sehingga temperaturnya akan menurun.
Proses ini menghasilkan dua produk yang memiliki nilai tinggi yaitu gas hidrogen free CO-CO2 dan material karbon dengan berbagai jenis yang berbeda.
Methane decomposition reaction pertama kali dikembangkan dengan tujuan mendapatkan gas H2 murni dan memiliki konsentrasi yang besar. Namun setelah
diketahui produk samping dari reaksi ini adalah material nano, maka perkembangan tentang dekomposisi metana pun semakin pesat.
Reaksi perengkahan metana (methane cracking) dapat dibedakan menjadi dua, yaitu perengkahan metana secara langsung (direct methane cracking) dan perengkahan metana secara tidak langsung (indirect methane cracking). Reaksi dekomposisi metana tergolong dalam reaksi perengkahan metana secara langsung.
2.2 Reaktor Gauze
Dari beberapa penelit Muradov dan Qian Weizhon rendah karena waktu tinggal r hidrogen murni, disamping itu
perubahan ukuran partikel katalis selama reaksi dan terjadi aglomerasi dan sticking dari partikel
permasalan jenis reaktor diatas, Muharam dan Purwanto, 2007 telah menginisiasi riset menggunakan reaktor katalitik terstruktur skala kecil
untuk reaksi dekomposisi (Muharam & Purwanto, 2007)
(c) (d)
Gambar 2. 1 (a) Substrat anyaman kawat (gauze) baja sebelum (b) setelah dibentuk katalis terstruktur sebelum reaksi
Gauze Untuk Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana
Dari beberapa penelitian perancangan reaktor yang dilakukan
Muradov dan Qian Weizhong, 2001, konversi metana yang dihasilkan masih rendah karena waktu tinggal reaktan yang singkat sehingga tidak mendapatkan rni, disamping itu sulit untuk mengontrol laju alir umpan dikarenakan perubahan ukuran partikel katalis selama reaksi dan terjadi aglomerasi dan dari partikel-partikel nano karbon. Dalam rangka mencari solusi permasalan jenis reaktor diatas, Muharam dan Purwanto, 2007 telah menginisiasi riset menggunakan reaktor katalitik terstruktur skala kecil atau reaktor gauze untuk reaksi dekomposisi katalitik metana, seperti terlihat pada
(Muharam & Purwanto, 2007).
(a)
(e) (f)
(a) Substrat anyaman kawat (gauze) baja sebelum (b) setelah dibentuk katalis terstruktur sebelum reaksi (d) dan (e) setelah reaksi (f) hasil nanotube
Metana
yang dilakukan Nazim
konversi metana yang dihasilkan masih ktan yang singkat sehingga tidak mendapatkan trol laju alir umpan dikarenakan perubahan ukuran partikel katalis selama reaksi dan terjadi aglomerasi dan partikel nano karbon. Dalam rangka mencari solusi permasalan jenis reaktor diatas, Muharam dan Purwanto, 2007 telah menginisiasi atau reaktor gauze rti terlihat pada Gambar 2.1
(b)
(a) Substrat anyaman kawat (gauze) baja sebelum (b) setelah dibentuk (c) Reaktor nanotube karbon
Hasil penelitian menunjukkan bahwa katalis Ni-Cu-Al mampu bertahan sampai 1400 menit (24 jam) dengan penurunan laju alir yang relatif kecil sekitar 10% sehingga dapat disimpulkan reaktor gauze dapat mengatasi permasalahan penyumbatan (pressure drop) pada reaktor unggun diam dan ketinggian wire mesh (gauze) dan laju alir umpan dapat diatur dengan mudah tanpa mempengaruhi hidrodinamika sehingga dapat menambah waktu tinggal reaktan yang pada akhirnya meningkatkan konversi. Disamping itu kualitas nanotube yang dihasilkan cukup baik dengan diameter 30-50 nm dan ketebalan dinding 10-20 nm dan kemurnian hidrogen mencapai 99%. Dikarenakan voidage yang besar kelemahan reaktor jenis ini loading katalis per satuan volume kecil namun dengan hidrodinamika fluida yang tidak terlalu kompleks akan memudahkan dalam scaling up ke skala industri.
Tabel 2. 1 Rangkuman hasil penggunaan reaktor Peneliti Tahun Jenis
Reaktor Konversi Pressure drop Lifetime katalis Aglomerasi & penyumbatan Muradov 2000 Spouted bed 7% Rendah - Tidak 2001 Fluidized bed 20% Rendah - Tidak
Qian, dkk 2003 fluidized 2-stage bed
20-40% Rendah ~ 17 jam Tidak
Siang-Pao, dkk 2006 Fixed bed 47% Tinggi ~ 1 jam Ya
Muharam dan Purwanto 2007 Reaktor katalis terstruktur
59,57% Rendah ~ 24 jam Ya setelah waktu yang
Gambar 2. 2 Tampak depan dan tampak samping reaktor gauze (Yulianti, 2008)
2.3 Kondisi Operasi Dekomposisi Katalitik Metana
Selain aspek katalis, yang mempengaruhi produk akhir dari reaksi dekomposisi metana adalah kondisi operasi pada saat uji kinerja katalis dilakukan.
1. Temperatur Operasi
Reaksi dekomposisi katalitik metana terjadi pada suhu yang tinggi. Temperatur terbukti mempengaruhi hasil reaksi baik kualitas maupun kuantitas nanokarbonnya. Semakin tinggi temperatur maka metana akan semakin cepat terdekomposisi, tetapi pada suhu yang tinggi katalis juga lebih mudah mengalami sintering dan semakin banyak karbon yang terbentuk maka deaktivasi katalis juga semakin cepat terjadi. Walaupun masa aktif dari katalis berkurang secara signifikan, secara garis besar jumlah karbon yang terbentuk menjadi lebih banyak.
Hasil uji produk membuktikan bahwa karbon jenis nanotube hanya akan terbentuk pada temperatur lebih tinggi daripada temperatur terbentuknya karbon nanofiber pada umumnya. Selain itu, karbon yang terbentuk pada temperatur yang lebih tinggi akan mempunyai bentuk yang lebih teratur dengan ketebalan yang seragam (Siregar, 2005).
Penambahan temperatur juga akan menyebabkan diameter dan ketebalan dinding dari nanotube yang telah terbentuk semakin mengecil (Grujicic, 2002), sedangkan yang diharapkan adalah nanotube karbon
dengan dinding yang tebal. Semua hal ini membuat tidak ada temperatur tertentu yang mutlak untuk reaksi ini. Temperatur optimal untuk reaksi dekomposisi metana agar terbentuk produk karbon nanotube yang diharapkan berada pada temperatur antara 650-750oC.
2. Tekanan Operasi
Tekanan operasi untuk reaksi ini adalah tekanan rendah atau tekanan atmosferik.
2.4 Katalis Terstruktur
Katalis terstruktur adalah katalis yang dibentuk dengan struktur tertentu sebagai alternatif pengganti katalis bentuk konvensional yang masih mempunyai kekurangan dalam aplikasinya. Susunan, bentuk, dan ukuran katalis terstruktur menentukan dinamika aliran dan pressure drop. Secara umum kriteria yang harus dipenuhi dalam merancang struktur katalis adalah sebagai berikut (Trubac, 2001):
1. luas permukaan yang besar agar kontak interfacial menjadi tinggi
2. struktur yang “terbuka” agar hambatan terhadap aliran fluida menjadi kecil 3. memungkinkan aliran gas yang seragam pada cross-section kolom
Penggunaan katalis terstruktur mempunyai keunggulan dibanding dengan katalis bentuk konvensional seperti bubuk, antara lain:
1. pressure drop yang rendah
2. luas permukaan spesifik yang tinggi 3. distribusi katalis yang teratur
Ada beberapa jenis katalis terstruktur yang umum digunakan: 1. Katalis Monolitik
Katalis ini mempunyai struktur yang mempunyai kesatuan yang seragam, dengan saluran-saluran sempit-sempit yang teratur baik paralel maupun zig-zag. Katalis ini memungkinkan untuk mengontrol selektivitas dari reaksi yang kompleks, mempunyai hambatan difusi internal yang kecil, pressure drop yang lebih kecil 2-3 kali dari reaktor fixed bed, dan aliran yang seragam. Unsur yang aktif secara katalitik terdispersi di seluruh struktur monolitik. Nama yang umum dipakai untuk model ini adalah
(a)
(b) struktur sarang tawon (honeycomb). Katalis ini sering diaplikasikan sebagai katalitik konverter pada kendaraan bermotor.
2. Katalis Membran
Katalis jenis ini tidak hanya mempunyai interaksi terhadap dinding akan tetapi juga perpindahan massa melewati dinding yang permeable (difusi) yang memiliki pori-pori kecil.
3. Arranged Katalis
Katalis terstruktur yang memberikan perpindahan massa yang relatif cepat melalui zona reaksi yang tegak lurus terhadap aliran dan biasanya untuk reaksi katalitik dua fasa.
Gambar 2. 3 Beberapa contoh katalis terstruktur: (a) Katalis monolitik, (Heibel, 2001) (b) Katalis dengan paten KATAPAK
2.5 Peristiwa Perpindahan dan Reaksi yang Terjadi di sepanjang Reaktor (Nauman, 2001)
Molekul reaktan memasuki reaktor dengan konsentrasi seragam ain dan
meninggalkan reaktor dengan konsentrasi aout. Di antara masuk dan keluarnya
1. Peristiwa perpindahan reaktan di fasa bulk (gas) sampai ke sekitar partikel katalis.
2. Peristiwa perpindahan melewati tahanan film dari fasa bulk (gas) ke permukaan eksternal katalis.
3. Peristiwa perpindahan reaktan ke dalam partikel katalis melalui difusi melewati pori-pori katalis.
4. Adsorpsi molekul reaktan di atas permukaan internal katalis. 5. Reaksi antar komponen teradsorpsi di atas permukaan katalis. 6. Desorpsi molekul produk dari permukaan ke pori-pori katalis.
7. Difusi molekul produk keluar dari pori-pori katalis ke permukaan eksternal katalis.
8. Peristiwa perpindahan produk melewati tahanan film menuju ke fasa bulk (gas).
9. Peristiwa perpindahan produk di fasa bulk (gas) sampai ke outlet reaktor.
Gambar 2. 4 Ilustrasi pori-pori katalis dan tahanan film di partikel katalis (Nauman, 2001)
Setiap peristiwa perpindahan yang disebutkan di atas dapat diubah ke dalam bentuk persamaan matematis.
Namun dalam penelitian ini katalis yang digunakan tidak memiliki pori-pori, sehingga tidak terjadi peristiwa perpindahan reaktan ke dalam partikel katalis melalui difusi melewati pori-pori katalis melainkan langsung terjadi reaksi di permukaan eksternal katalis.
2.6 Neraca Massa, Energi, dan Momentum (Bird, 2003) 2.6.1 Neraca Massa
Neraca massa merupakan aplikasi dari hukum kekekalan massa, di mana massa tidak dapat diciptakan ataupun dihancurkan. Untuk membuat sebuah kesetimbangan massa, pertama-tama harus didefinisikan lebih dahulu sistemnya, kemudian menguraikan batas-batasnya. Pada neraca massa, ada beberapa istilah yang digunakan, yaitu (1) sistem, merupakan bagian atau keseluruhan proses untuk analisis; (2) kondisi batas merupakan suatu kumpulan kondisi yang ditentukan untuk menyelesaikan suatu persamaan diferensial di batas domain; (3) sistem terbuka merupakan sistem dengan adanya massa yang keluar dan masuk melalui kondisi batas; (4) sistem tertutup merupakan sistem tanpa adanya perpindahan massa selama jangka waktu yang diinginkan.
Neraca massa sendiri dibagi menjadi dua menurut alirannya, yaitu (1) unsteady state (keadaan tidak tunak) dimana nilai variabel-variabel yang berkaitan berubah berdasarkan waktu; dan (2) steady state (keadaan tunak) dimana nilai dari variabel-variabel yang berkaitan tidak berubah terhadap waktu. Keadaan tunak menyebabkan tidak adanya nilai dari akumulasi sehingga akan mempermudah persamaan tersebut.
Fenomena-fenomena yang terjadi pada neraca massa adalah konveksi, difusi dan generasi massa dengan persamaan pada koordinat silinder:
1 1 1 (2.2)
dimana, 1 = suku difusi 2 = suku konveksi 3 = suku difusi
4 = suku generasi massa = konsentrasi A
= kecepatan superficial
= koefisien difusivitas gas A terhadap B = arah aksial
= arah radial = arah angular
Sedangkan untuk koordinat lainnya, • Koordinat persegi: ! "# ! # (2.3) • Koordinat bola: $ 1$ % sin 1 $) 1 sin 1 sin sin1 ) (2.4) 2.6.2 Neraca Energi Panas
Fenomena-fenomena yang terjadi pada neraca energi adalah konveksi dan konduksi dengan persamaan pada koordinat silinder :
*$+, *$+., ., ., / 01 , 1,,1 23 4. 51 . 6 . 7 3 8. 1. . . 91. : ;< = (2.5) dimana, 1 = suku akumulasi 2 = suku konveksi 3 = suku konduksi
4 = suku transformasi kecepatan alian menjadi energi * = massa jenis campuran
$+ = kapasitas panas , = temperatur
/ = konduktivitas termal 3 = viskositas campuran
Sedangkan untuk koordinat lainnya, • Koordinat persegi:
*$+, . ,! .",# .,
/ 0!, #,,1 23 >.! .# " . ? 3 >.# .! " . .! ." .# ?
• Koordinat bola: *$+, ., ., sin .% ), / 01 , 1 sin sin ,@ sin1 ),1 23 >. 1. 1 sin .% ) cot 7 3 >5 : ; 1 6 5 sin 1 ) : ;6% 0sin sin % sin 1 ) 1 7
(2.7) 2.6.3 Neraca Momentum
Fenomena-fenomena yang terjadi pada neraca momentum digambarkan dengan persamaan pada koordinat silinder:
Komponen r * D DE 3 F 9 1 G H< 1 D2 I *J (2.8)
Komponen * D1E 3 F 9 1 G H< 1 D2 I *J (2.9) Komponen z * D 3 0E 1 1 1 *J (2.10) Sedangkan untuk koordinat persegi :
Komponen x * ! " # DE! 3 0 ! # 1 *J (2.11) Komponen y * " ! " " # " D" E# 3 0 " ! " # " 1 *J" (2.12) Komponen z * ! " # D E 3 0 ! # 1 *J (2.13) 2.6.4 Computational Fluid Dynamics (Coker, 2001)
Komputasi dinamika fluida adalah analisis sistem yang melibatkan aliran fluida, perpindahan energi, dan asosiasi fenomena seperti pembakaran dan reaksi kimia dengan berbasis pada simulasi komputer. CFD memecahkan persamaan
kontinuitas massa melalui metode numerik. CFD banyak digunakan pada berbagai aplikasi industri. Contoh di bidang teknik kimia adalah sebagai berikut :
• Polimerisasi
• Aliran multi-fasa di dalam reaktor • Modeling Reaction
• Sedimentasi • Pemisahan
• Jaringan pipa yang kompleks • Pencampuran
Solusi numerik dari neraca energi, massa, dan momentum dapat dikombinasikan dengan persamaan aliran untuk menggambarkan perpindahan panas, dan juga reaksi kimia. Hasil simulasi dari CFD terdapat dalam berbagai bentuk seperti numerik, grafik, dan juga gambar.
CFD mengandung tiga unsur utama, yaitu pra-proses (input/definisi masalah), solver (melakukan penyelesaian), post-proses (hasil simulasi).
Pra-proses meliputi memasukkan atau mendefinisikan masalah ke dalam bahasa CFD dengan menggunakan friendly interface, sehingga format menjadi berupa persamaan yang siap untuk dipecahkan. Berikut ini beberapa kegiatan dalam mendefinisikan masalah ke dalam CFD :
• Menentukan geometri daerah atau sistem yang akan disimulasikan. • Melakukan pemilihan fenomena-fenomena fisik dan kimia yang
terjadi di dalam sistem yang dibuat geometrinya.
• Menentukan sifat fisik fluida yang digunakan dalam simulasi. • Menentukan kondisi batas sesuai dengan kebutuhan atau keadaan
dari sistem tersebut.
Keakuratan dari CFD bergantung pada jumlah sel/mesh yang ada pada grid. Semakin kecil mesh yang dibuat, berarti akan semakin akurat perhitungan yang dilakukan oleh CFD. Akan tetapi semakin kecil mesh berarti akan semakin banyak pula perhitungan yang akan dilakukan oleh CFD, sehingga membuat sistem perhitungan komputasi membutuhkan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan menggunakan mesh/sel yang besar tetapi sedikit.
Di dalam perhitungannya CFD menggunakan tiga metode numerik, metode finite different, metode elemen hingga, dan metode spektral. Ketiga metode ini dalam melakukan perhitungannya mengikuti langkah-langkah berikut :
• Pendekatan dari aliran-aliran yang tidak diketahui secara sederhana. • Diskritisasi atau pemotongan-pemotongan menjadi beberapa elemen
yang setiap elemennya memiliki persamaan.
• Memanipulasi persamaan elemen atau persamaan diferensial menjadi persamaan aljabar, di mana persamaan aljabar ini kemudian akan diselesaikan dengan merubahnya menjadi matriks dengan ukuran yang sangat besar, akan tetapi dengan sistem komputasi dapat diselesaikan dengan mudah dan cepat.
Penyusunan model matematis dan simulasi dari sistem reaktor dengan katalis wire gauze yang terdiri dari neraca massa dan neraca momentum yang memperhitungkan faktor konveksi dan difusi sehingga didapatkan sistem persamaan diferensial yang dapat diselesaikan secara serentak. Pemodelan dan simulasi ini mengacu pada subbab 3.1.
3.1 Diagram Alir Prosedur Penelitian
Gambar 3. 1 Diagram penelitian
Studi literatur
Penentuan batasan model
Running? Pengecekan geometri Analisis Mulai Selesai Simulasi Pembuatan geometri Penyusunan model Pengecekan model Running?
3.2 Prosedur Penelitian
Untuk mencapai tujuan yang diharapkan dalam penelitian ini maka pada bagian ini akan dijelaskan mengenai langkah-langkah yang dilakukan. Dengan demikian akan mempermudah untuk menyelesaikan permasalahan yang dihadapi. Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi :
3.2.1 Studi Literatur
Dalam studi literatur dilakukan pengumpulan-pengumpulan data-data dan parameter yang diperlukan dalam menyusun model diantaranya teori pendukung tentang teori pemodelan pada reaktor dan data-data sifat fisik fluida baik metana maupun hidrogen yang dibutuhkan dalam melakukan simulasi.
3.2.2 Melakukan Penentuan Batasan pada Model
Sebelum menentukan pemodelan reaktor, maka harus ditentukan terlebih dahulu batasan-batasan yang digunakan dalam model. Batasan-batasan ini dibutuhkan karena dalam memodelkan suatu reaktor sering kali ditemukan kesulitan-kesulitan seperti rumitnya bentuk geometri yang sesungguhnya. Dengan adanya batasan-batasan ini maka semakin mengurangi tingkat kerumitan dalam melakukan pemodelan reaktor.
3.2.3 Pembuatan Geometri
Melakukan pembuatan geometri sesuai dengan ukuran reaktor yang sesungguhnya. Ukuran reaktor yang sesungguhnya didapatkan dari penelitian yang dilakukan oleh Francy, 2010. Pembuatan geometri ini disesuaikan dengan kemampuan memori komputer dalam menyelesaikan masalah. Dalam pembuatan geometri ini disesuaikan dengan batasan-batasan yang telah ditentukan sebelumnya. Di dalam penelitian ini dilakukan pemodelan di bagian persilangan katalis.
3.2.4 Penyusunan Model
Melakukan penyusunan model dari hasil penurunan persamaan neraca massa dan neraca momentum yang sudah disederhanakan sesuai dengan batasan-batasan yang digunakan. Model ini dimasukkan dan disesuaikan ke dalam ruang kerja COMSOL Multiphysics sehingga model hasil penurunan tersebut dapat dijalankan pada program COMSOL Multiphysics. Persamaan-persamaan ini dimasukkan dalam beberapa bagian dalam COMSOL Multiphysics, yaitu subdomain settings untuk persamaan neraca massa dan momentum, boundary settings untuk kondisi batas neraca massa energi dan momentum, serta constants dan scalar expressions untuk persamaan-persamaan lainnya seperti koefisien difusi, konduktifitas termal dan lainnya.
3.2.5 Pengecekan Model
Melakukan pengecekan terhadap model yang telah dibuat, yaitu apakah dengan model yang telah dimasukkan program COMSOL Multiphysics dapat disimulasikan. Jika simulasi dapat berjalan, maka langkah-langkah dalam metodologi penelitian ini dapat dilanjutkan. Namun jika tidak, maka kembali ke langkah penyusunan model untuk memperbaiki kesalahan dalam pemasukan model ke dalam COMSOL. Kesalahan-kesalahan ini biasanya terjadi karena kesalahan tanda model, adanya variabel yang belum dimasukkan, pemasukan terkaan awal (initial value), serta faktor satuan. Ketika kesalahan terjadi karena adanya variabel yang belum dimasukkan, COMSOL Multiphysics akan berhenti melakukan perhitungan dan memberitahukan bahwa suatu variabel tidak ada dalam ruang kerjanya.
3.2.6 Pengecekan Geometri
Melakukan pengecekan terhadap geometri yang dibuat. Di mana geometri yang dibuat tidak selalu dapat disimulasikan. Biasanya geometri yang dibuat di dalam COMSOL harus disederhanakan terlebih dahulu untuk menghindari gagalnya perhitungan akibat ketidakmampuan memori komputer dalam menyelesaikan masalah. Dalam melakukan penyederhanaan geometri ini biasanya
dilakukan penyederhanaan dengan memodelkan geometri yang lebih kecil atau lebih sederhana atau dengan cara memperbesar mesh atau diskretisasi sehingga menjadi lebih besar, akan tetapi menghasilkan hasil perhitungan atau simulasi dengan nilai kesalahan yang lebih besar.
3.2.7 Simulasi
Melakukan simulasi setelah geometri dan model selesai diverifikasi. Simulasi dilakukan dengan mengubah-ubah variabel proses seperti temperatur masukan, tekanan masukan, komposisi masukan, dan kecepatan masukan sehingga dapat diketahui pengaruh perubahan variabel proses terhadap kinerja reaktor.
3.2.8 Analisis Hasil Simulasi
Melakukan analisis terhadap hasil simulasi yang berupa profil. Hasil simulasi pemodelan berupa profil konsentrasi dan profil temperatur di sepanjang reaktor dan di sepanjang partikel katalis. Dilakukan juga analisis terhadap simulasi pengaruh parameter proses yaitu temperatur dan konsentrasi umpan masuk ke dalam reaktor terhadap parameter kinerja reaktor berupa konversi CH4.
4.1 Pemodelan Reaktor Gauze
Dalam persamaan model, tentunya harus diperhitungkan berbagai aspek yang terlibat di dalam sistem dan kemudian merepresentasikannya ke dalam persamaan matematis. Secara umum, untuk proses yang melibatkan proses perpindahan maka akan melibatkan prinsip tiga kesetimbangan yaitu neraca massa, neraca energi, dan neraca momentum. Ketiga aspek tersebut bersama-sama membentuk sebuah fenomena perpindahan yang secara simultan mempengaruhi profil sepanjang reaktor. Pada pemodelan reaktor ini, reaktor diasumsikan isotermal sehingga persamaan yang ditinjau adalah persamaan neraca massa dan neraca momentum tanpa melibatkan persamaan neraca energi panas. Model reaktor yang digunakan adalah model heterogen di tiga dimensi.
Dalam persamaan model akan dibedakan antara fasa fluida (gas), dan fasa solid atau padatan (katalis gauze), di mana reaksi hanya terjadi di permukaan eksternal katalis. Namun pada neraca momentum tidak ada persamaan di partikel katalis karena fluida hanya mengalir di skala reaktor dan peristiwa perubahan momentum tidak terjadi di dalam partikel katalis.
Sistem akan dibagi menjadi 2 bagian, yaitu skala reaktor dan skala partikel katalis. Di dalam skala partikel terjadi reaksi pada permukaan eksternal katalis. Reaksi yang terjadi adalah reaksi dekomposisi katalitik metana yang bersifat endotermis sehingga dibutuhkan panas dari luar reaktor (dalam hal ini panas disediakan oleh furnace). Pada skala reaktor terjadi aliran gas di antara padatan katalis, sehingga dalam pemodelan skala reaktor dipertimbangkan tentang difusi ke setiap arah (x, y, dan z) pada fasa gas.
Seperti yang dijabarkan pada Tinjauan Pustaka, Bird, 1994 telah menurunkan persamaan di mana persamaan model tersebut dapat digunakan di berbagai koordinat. Maka dalam pembuatan model baik untuk skala reaktor ataupun skala katalis digunakan persamaan-persamaan yang telah diturunkan oleh Bird, 1994 dengan modifikasi yang didasarkan pada asumsi-asumsi yang
digunakan. Modifikasi yang dilakukan pada persamaan-persamaan berdasarkan asumsi yang digunakan dijabarkan pada subbab berikut ini.
4.1.1 Skala Reaktor
Pada skala reaktor ini persamaan dibagi menjadi dua bagian, yaitu persamaan neraca massa dan neraca momentum. Persamaan ini menggambarkan fenomena-fenomena perpindahan yang ada pada skala reaktor dalam bentuk persamaan matematis.
4.1.1.1Neraca Massa Skala Reaktor
Dalam persamaan neraca massa berlaku persamaan umum : KLM KLM ! " KLM # KLM KL M ! KL M # KL M N (4.1) Di mana :
1. Akumulasi 3. Suku difusif
2. Suku konvektif 4. Suku generasi massa
Sistem ada pada kondisi steady state, di mana pada kondisi steady state, KLM
0 sehingga persamaan di atas berubah menjadi :
KLM ! " KLM # KLM KL M ! KL M # KL M (4.2) dengan y adalah jarak untuk arah aksial atau memanjang reaktor, sedangkan x dan z untuk arah penampang reaktor. Masing-masing suku di atas mewakili fenomena konvektif ke setiap arah, difusi ke setiap arah, dan generasi massa.
persamaan untuk mewakili perpindahan massa dari skala reaktor ke skala partikel katalis dimasukkan di persamaan kondisi batas. Sehingga pada persamaan skala reaktor suku generasi massa menjadi seperti pada persamaan 4.3.
0 (4.3)
Persamaan akhir neraca massa di skala reaktor menjadi : KLM ! "# KLM KLM KLM ! KLM # KLM (4.4) 4.1.1.2Neraca Momentum
Dalam persamaan neraca momentum berlaku persamaan : * " ! " " # " D" E# 3 0 " ! " # " 1 *J" G4.5) Pengaruh gravitasi yang ada di dalam sistem dianggap terlalu kecil karena fluida yang mengalir ada dalam fasa gas dan fluida mengalir secara horizontal sehingga suku *J di dalam persamaan dapat dihilangkan dan persamaan menjadi sebagai berikut : * " ! " " # " D" E# 3 0 " ! " # " 1 (4.6) Sistem yang digunakan adalah steady state sehingga tidak ada akumulasi di dalam sistem. Maka suku P+PRQ dapat dihilangkan dan persamaan menjadi sebagai berikut : * ! " " # " D" E# 3 0 " ! " # " 1 (4.7) 4.1.2 Lapisan Batas (Perpindahan Antar Fasa)
Interaksi antara skala reaktor dan skala partikel katalis terjadi melalui sebuah lapisan batas yang merupakan media perpindahan massa antara fasa gas di
skala reaktor dengan fasa padatan di partikel katalis. Melalui lapisan film inilah terjadi kesetimbangan antara suku perpindahan antar fasa di skala reaktor dengan fluks difusif yang berada di permukaan katalis (skala partikel). Pada lapisan batas ini juga terjadi suatu tahanan yang disebut sebagai tahanan film (Fogler, 1992). Tahanan inilah yang menyebabkan terjadinya gradien konsentrasi di lapisan batas. 4.1.2.1Neraca Massa di Lapisan Batas
Neraca massa di lapisan batas mewakili transfer massa antara skala reaktor dan skala partikel katalis. Persamaan inilah yang menyebabkan profil di skala reaktor juga dipengaruhi oleh perubahan profil di skala katalis. Di mana terjadi fluks massa masuk secara konvektif dan difusi melalui lapisan batas sampai pada permukaan katalis, di mana terjadi reaksi di permukaan eksternal katalis. Sehingga dalam persamaan matematis, neraca massa pada lapisan batas adalah sebagai berikut : DSKLM TKLM U (4.8) Keterangan :
1. Transfer massa antar fasa difusif 3. Laju reaksi 2. Transfer massa antar fasa konvektif
4.1.3 Skala Partikel Katalis
Setelah reaktan melalui lapisan batas terjadi reaksi di permukaan katalis. Di skala partikel ini terjadi konsumsi atau generasi massa akibat adanya reaksi. Pada umumnya sebelum terjadi reaksi di dalam katalis terjadi peristiwa perpindahan massa secara difusi dari permukaan katalis ke dalam inti aktif katalis karena katalis memiliki pori-pori. Akan tetapi, katalis yang digunakan pada penelitian ini tidak memiliki pori-pori sehingga tidak terjadi peristiwa perpindahan massa secara difusif dari permukaan katalis ke dalam inti aktif katalis melainkan langsung terjadi reaksi di permukaan katalis.
4.1.3.1Neraca Massa Skala Partikel Katalis
Partikel katalis berbentuk silinder dengan jari-jari rp. Persamaan umum
neraca massa adalah sebagai berikut :
1 U UUU 1U U (4.9) Di mana :
1. Akumulasi 3. Suku generasi massa
2. Suku difusif
Sistem yang digunakan adalah steady state, sehingga suku akumulasi dapat diabaikan. Selama reaktan ada pada skala partikel katalis, reaktan tidak mengalami perpindahan maupun secara difusi. Sehingga suku difusif dan suku konvektif dapat dihilangkan dari persamaan 4.9, dan persamaan menjadi :
0
=
p
R
(4.10) Reaksi tidak terjadi di dalam katalis, melainkan terjadi di permukaan eksternal katalis. Persamaan laju reaksi yang digunakan pada penelitian ini adalah persamaan laju reaksi untuk dekomposisi katalitik metana yang didapatkan dari penelitian yang dilakukan oleh Snoeck, 1997.
U VWXYZ[MUZ[M\]W^ _`"Ub[b c d _`"Ue/b[bcYZ[MUZ[M b (4.11) Di mana : /gc 23444 j klm nopq.st . u ^vwxeej yz{|t }.~ (4.12) KLM 4389 0 klm nopq. d bs1 . u ^xvbbj yz{|t }.~ (4.13) /g\ 0,21\. u^dMej y}.~z{|t (4.14) " 1,109.10\. u ^deedMj yz{|t }.~ (4.15)
4.2 Kondisi Batas
Persamaan pada kondisi batas merupakan persamaan di titik di mana persamaan yang akan diselesaikan memiliki rentang minimal dan rentang maksimal di sepanjang intervalnya. Persamaan neraca massa dan momentum yang telah diturunkan di atas merupakan persamaan diferensial parsial di mana terdapat masing-masing tiga kondisi batas untuk masing-masing arah x, y, dan z. Batasan-batasan yang ditentukan berdasarkan spesifikasi kasus ini baik pada skala reaktor maupun skala partikel katalis, meliputi hal-hal berikut ini :
4.2.1 Kondisi Batas Reaktor
Pada arah aksial atau memanjang reaktor umpan masuk adalah tetap. Posisi umpan masuk berada pada y = 0 dan temperatur masuk adalah konstan, sehingga berlaku hubungan :
pada masukan reaktor,
C = Cin
u = uin (4.16)
Untuk kondisi batas di posisi lainnya berlaku hubungan bahwa turunan pertama di posisi tersebut adalah nol. Hubungan ini berarti bahwa pada posisi tersebut diasumsikan sudah tidak ada gradien konsentrasi.
Pada ujung reaktor atau keluaran reaktor: dC/dy = 0
P=P0 (4.17)
Pada lapisan batas terjadi perpindahan massa di mana terjadi perpindahan dari skala reaktor ke dalam katalis, sehingga kondisi batas untuk lapisan batas persamaannya seperti pada persamaan :
4.3 Simulasi Reaktor Gauze dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics
Simulasi dilakukan dengan menggunakan software COMSOL 3.5. Perangkat lunak ini menggunakan FEM (finite element method) untuk melakukan perhitungan yang hasilnya adalah berupa profil variable terikat (dependent variable) di sepanjang geometri.
Dalam melakukan simulasi dengan COMSOL Multiphysics, maka hal-hal utama yang perlu dilakukan adalah melakukan penyusunan geometri dan melakukan input baik berupa persamaan maupun nilai yang dibutuhkan dalam simulasi. Banyak hal yang perlu dipertimbangkan dalam melakukan suatu simulasi dengan menggunakan COMSOL (CFD), seperti memikirkan bentuk geometri yang harus mewakili reaktor yang sesungguhnya. Dalam melakukan penyusunan geometri masih ada hal-hal lain yang perlu dipertimbangkan untuk mendukung simulasi berjalan dan menghasilkan profil yang sesuai dengan data eksperimen. Dalam penelitian ini terdapat beberapa hal yang menyebabkan penyusunan geometri gagal sehingga hasil yang didapatkan tidak sesuai dengan data eksperimen atau tidak masuk akal, seperti tidak mampunya komputer atau terbatasnya memori komputer dalam menyelesaikan masalah dinamika fluida yang ada di dalam simulasi.
Permasalahan selanjutnya adalah sulitnya menduga nilai awal yang harus dimasukkan ke dalam simulasi untuk menyelesaikan pemecahan secara numerik. Di dalam penyelesaiannya perangkat lunak akan meminta nilai awal untuk melakukan percobaan perhitungan dengan basis nilai awal tersebut, sehingga apabila nilai awal yang dimasukkan menghasilkan nilai yang tidak terbatas, maka secara otomatis perangkat lunak akan berhenti melakukan trial karena nilai errornya telah melebihi kriteria konvergensi yang ditentukan (1e-6).
Sehingga dalam penelitian ini diperlukan adanya asumsi-asumsi yang setidaknya mewakili reaktor sesungguhnya dengan nilai hasil simulasi yang tidak terlalu jauh berbeda apabila dibandingkan dengan reaktor yang sesungguhnya.
4.3.1 Pemodelan Reaktor
Seperti yang dijelaskan pada subbab 4.3, maka dibutuhkan penyederhanaan dalam penyusunan geometri dan asumsi untuk melakukan pemodelan dan simulasi reaktor. Setelah melakukan percobaan terhadap berbagai bentuk geometri, maka dilakukan pemodelan dalam bentuk persilangan katalis untuk semakin mengurangi beban dalam perhitungan komputasi. Pemodelan persilangan katalis ini dilakukan karena adanya keterbatasan dalam melakukan simulasi dengan geometri satu reaktor penuh. Pemodelan ini dilakukan dengan asumsi bahwa profil ke arah panjang reaktor dan profil ke arah penampang reaktor sama untuk setiap persilangan katalis. Pemodelan reaktor ini dipotong ke arah panjang reaktor sebanyak 21 kali sehingga yang dimodelkan hanyalah 1/21 dari panjang reaktor sesungguhnya.
Pada model persilangan katalis ini, fenomena yang dimodelkan adalah fenomena perpindahan massa dan perubahan momentum. Reaktor ini dianggap isotermal karena pada data eksperimen ditunjukkan bahwa profil suhu di sepanjang reaktor tidak berubah secara signifikan dan pemodelan dimulai di mana suhu telah mencapai 7000C, sehingga pada pemodelan ini dapat diasumsikan bahwa temperatur di dalam reaktor tetap, merata, dan tidak berubah-ubah di sepanjang reaktor yaitu sebesar 7000C. Pada pemodelan ini, tekanan masuk reaktor sama dengan tekanan keluar reaktor karena dengan menggunakan katalis terstruktur wire, reaktor memiliki pressure drop yang rendah.
Berikut ini langkah-langkah dalam pemodelan di dalam perangkat lunak COMSOL Multiphysics :
1. Menentukan dimensi geometri yang akan dimodelkan di dalam COMSOL. Di dalam perangkat lunak ini, geometri dapat berupa satu dimensi, dua dimensi, ataupun tiga dimensi. Pada pemodelan ini dilakukan simulasi dengan menggunakan geometri 3 dimensi.
Gambar 4. 1 Tampilan awal COMSOL
2. Melakukan penentuan fenomena-fenomena yang terjadi di dalam reaktor. Pada simulasi ini, fenomena yang ada di dalam reaktor adalah peristiwa perpindahan massa dan perubahan momentum. Peristiwa perpindahan massa meliputi perpindahan massa yang terjadi secara konvektif dan peristiwa perpindahan massa secara difusif sehingga untuk peristiwa perpindahan massa diwakili oleh multiphysics convection and diffusion. Peristiwa perubahan momentum diwakili oleh multiphysicsincompressible navier stokes. Pada setiap multiphysics, harus ditentukan dependent variables (variabel terikat) yang ada. Pada multiphysics convection and diffusion, variabel terikatnya adalah konsentrasi metana (ditulis c_ch4 di COMSOL) dan konsentrasi hidrogen (ditulis c_h2 di COMSOL). Pada multiphysics incompressible navier stokes, variabel terikatnya adalah
tekanan (tertulis p di COMSOL), kecepatan ke berbagai arah (tertulis u untuk arah x, v untuk arah y, dan w untuk arah z).
Gambar 4. 2 Tampilan multiphysics di dalam COMSOL
3. Setelah melakukan penentuan fenomena-fenomena dengan menggunakan multiphysics, langkah selanjutnya adalah membuat geometri dari model yang sekiranya mewakili reaktor yang ingin dimodelkan. Untuk membuat model yang mewakili reactor yang sesungguhnya, maka dibutuhkan ukuran-ukuran dari reactor yang sesungguhnya. Data-data mengenai geometri reaktor yang sesungguhnya didapatkan dari penelitian yang dilakukan oleh Francy, 2009.
Spesifikasi dari reaktornya adalah sebagai berikut :
Panjang reaktor = 32 cm
Jarak antar dua buah wire = 1,89 mm
Diameter wire = 0,65 mm
Meshes/inch = 10
Panjang wiremesh = 3497 mm
Jumlah wire sheet = 63
Separating gap = 5,161 mm
Pada pemodelan ini geometri yang digambarkan hanyalah persilangan katalis. Sehingga ukuran yang dibutuhkan hanyalah diameter wire (0.65 mm), jarak antar kawat (1,89 mm), dan jarak antar lapisan katalis (separating gap) (5,161 mm).
Gambar 4. 3 Tampak penampang reaktor gauze
a. Geometri untuk substrat katalis (stainless steel)
Menentukan geometri substrat dari ukuran-ukuran yang telah ditentukan. Pembuatan geometri substrat digambarkan sebagai berikut : Variabel-variabel yang diperlukan adalah :
• Tinggi/panjang silinder (jarak antar kawat) • Titik basis axis dari silinder
• Vektor arah axis
Gambar 4. 4 Silinder katalis
Setelah membuat silinder vertikal membuat silinder horizontal dengan ukuran radius dan tinggi yang sama di titik arah y yang sama, dan merubah letak koordinat silinder, sehingga gambar silinder menjadi,
Gambar 4. 5 Persilangan katalis
b. Geometri untuk reaktor
Menentukan geometri reaktor berdasarkan ukuran yang ditentukan, di mana untuk geometri reaktor ini dibatasi hanya sepanjang silinder katalis yang dimodelkan. Sehingga pada pembuatan geometri reaktor, ukuran yang dibutuhkan hanyalah panjang silinder kawat yang dimodelkan (jarak antar wire, 1,89 mm) dan separating gap (5,161 cm). Pada pemodelan ini, hanya dimodelkan untuk 3 lapis katalis sehingga gambar keseluruhan menjadi seperti Gambar 4.6.
a.
b.
Gambar 4. 6 a. Model persilangan katalis; b. Penampang persilangan katalis
Setelah semua geometri reaktor terbentuk, melakukan composite untuk membedakan antara reaktor dan padatan.
4. Setelah membuat geometri, langkah selanjutnya adalah memasukkan variabel-variabel sifat fisik fluida dalam subdomain setting. Pada
pemodelan persilangan katalis ini, diasumsikan bahwa peristiwa perpindahan massa dan peristiwa perubahan momentum tidak terjadi di dalam substrat katalis. Sehingga pada pemodelan persilangan katalis ini tidak perlu memasukkan sifat fisik substrat katalis (stainless steel) di dalam subdomain setting. Pada modul convection and diffusion, data variabel yang diperlukan adalah Diffusifitas fluida (metana dan hidrogen), sedangkan pada modul incompressible navier stokes, data sifat fisik yang diperlukan adalah densitas fluida dan viskositas dinamik fluida. Tampilan subdomain setting ada pada Gambar 4.7.
Gambar 4. 7 Subdomain setting pada modul convection and diffusion dan incompressible navier stokes
Sifat fisik yang dimasukkan ke dalam pemodelan ini merupakan sebuah persamaan di mana nilai sifat fisik itu sendiri akan berubah-ubah seiring dengan berubahnya temperatur dan konsentrasi di sepanjang reaktor. Berikut ini dijabarkan mengenai persamaan-persamaan yang digunakan dalam menentukan sifat fisik dari fluida :
• Koefisien difusi (Bird, 1994)
Difusivitas atau koefisien difusi merupakan konstanta proporsional antara fluks molar karena difusi molekul dan gradien konsentrasi dari suatu campuran. Umumnya koefisien difusi berpasangan, dimana semakin tinggi difusivitasnya (dari suatu bahan terhadap bahan lain), semakin cepat bahan tersebut berdifusi satu sama lain.
U GUoUoH d eGooHdbvWd cWd d b oo (4.19)
E = tekanan
= koefisien difusivitas E, = tekanan kritis senyawa , = suhu
,, = temperatur kritis senyawa , = massa molekul relatif = 2,745 x 10-4
= 1,823
• Viskositas (Coulson, 2001)
Viskositas adalah pengukuran dari ketahanan fluida yang dapat dideformasi oleh tegangan geser dan tegangan tensil. Semakin besar viskositasnya, suatu bahan akan lebih sulit mengalir dibandingkan dengan bahan yang memiliki viskositas rendah.
3k ∑ ∑ ""gg (4.20) Di mana:
3k = viskositas campuran 3 = viskositas komponen # = fraksi mol komponen
= massa molekul relatif komponen
• Densitas (Persamaan Gas Ideal)
Densitas bahan didefinisikan sebagai massa dari bahan tersebut dibagi dengan volumenya. Secara umum, densitas dapat berubah seiring dengan perubahan tekanan dan temperatur. Ketika tekanannya dinaikkan maka densitas suatu bahan akan naik. Ketika temperatur dinaikkan, pada umumnya densitas akan turun kecuali pada kasus tertentu. Perubahan densitas yang dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur cukup kecil pada liquid dan solid, tetapi pada wujud gas,
densitasnya sangat dipengaruhi oleh tekanan. Densitas dari gas ideal adalah, * g (4.21) Di mana : * = densitas = tekanan
= massa molekul relatif = konstanta ksetimbangan gas , = suhu
5. Selain subdomain setting, variabel-variabel operasi seperti temperatur masukan, tekanan masukan, dan lain-lain harus dimasukan sebagai informasi kondisi batas pada pemodelan di bagian boundary setting. a. Pada multiphysic Convection and diffusion, kondisi batas yang
dibutuhkan adalah sebagai berikut :
Tabel 4. 1 Kondisi batas yang digunakan pada multiphysic convection and diffusion Boundary Boundary condition c_ch4 c_h2 masukan konsentrasi 40.6 [mol/m3] 0 [mol/m3] keluaran convective flux
bagian potongan reaktor
insulation/symmetry
permukaan katalis flux -rate [mol/m2 s] 2*rate [mol/m2 s]
Boundary condition yang digunakan berikut persamaannya adalah: • Insulation/symmetry
. 0; D S . T (4.22) Persamaan ini digunakan apabila pada permukaan tidak terjadi perubahan konsentrasi atau dengan kata lain tidak terjadi peristiwa
