Hasil dan Pembahasan

(1)

Bab IV

Hasil dan Pembahasan

IV.1 Model Reaksi

CMR merupakan metode reaksi yang digunakan untuk menghasilkan hidrogen. Reaksi ini terdiri dari 2 reaksi yaitu reaksi pembentukan dan water gas shift. pada reaksi pertama, metana dan karbondioksida bereaksi menghasilkan karbonmonoksida dan hidrogen. Sedangkan pada reaksi kedua, karbondioksida dan hidrogen sebagai reaktan menghasilkan karbonmonoksida dan H2O. Gambar skema dari reaktor membran ditunjukkan pada gambar IV.1.

Tiga jenis reaktor yang digunakan adalah porousvycor, nanosil, dan fixed-Bed. Reaktor membran terdiri dari bagian shell dan tube. Shell berisi dengan katalis karena reaksi terjadi di katalis. Jari - jari dalam disebut tube dan jari – jari luar adalah shell. Umpan masuk dengan kecepatan supervisial tertentu melalui shell. Reaksi yang terjadi di shell ditunjukan pada persamaan IV.1 dan IV.2.

1 0 298 2 2 4 2 2 247 − = Δ + → +CO CO H H kjmol CH ...(IV.1) 1 0 298 2 2 2 41 − = Δ + ⇔ +CO CO H O H kjmol H ...(IV.2)

(2)

Pada waktu dan panjang reaktor tertentu, reaktan terkonversi menjadi produk dan masuk ke tube dengan laju molar tertentu. Laju alir molar yang melalui membran ini disebut proses difusi. Proses transport pada membran ini disebabkan oleh adanya gaya dorong. Gaya dorong dapat berupa gradien konsentrasi, tekanan, atau temperatur. Pada kasus penyebab difusi adalah perbedaan tekanan partial dari masing-masing komponen yang ada di shell dan tube. Gambar skema reaktor konvensional adalah pada gambar IV.2.

Gambar IV.2 Skema Reaktor Fixed-Bed

Reaktor fixedBed hanya terdiri dari satu bagian saja yaitu shell. Kondisi yang sama dibuat pada tiga reaktor ini yaitu pada besar jari-jari shell untuk reaktor membran dan fixedbed dibuat dalam skala yang sama besar. Shell yang berisi katalis memiliki volume katalis untuk ketiga reaktor. Simulasi untuk kondidi ketiga reaktor di atas dibuat menggunakan MATLAB 7.0.1.

IV.2 Model Reaktor Fixed-Bed

Reaktor fixedbed ini memiliki kondisi awal yang terdapat pada tabel IV.1 dengan asumsi bahwa tidak ada gradien temperatur atau dalam kondisi isothermal. Tekanan total yang digunakan adalah sekitar 102 kPa. Masukan awal berupa laju alir volumetrik yang dikonversi menjadi laju molar (mole/sec). Panjang reaktor adalah sekitar 0.04 m.

(3)

Tabel IV.1 Variabel model Fixedbed

temperatur 973 K

Tekanan total (shell) 107835 Pa

Tekanan total (tube) 107830 Pa

Radius shell 4.9 m

Laju alir vol. (shell) methane 45 cm^3 min^-1

Laju alir vol. (shell) carbondioxide 45 cm^3 min^-1

Laju alir vol. (shell) argon 65.5 cm^3 min^-1

Laju alir vol. (tube) argon 65.5 cm^3 min^-1

Panjang reaktor 0.04 m

Katalis Rh/Al2O3

catalyst bed void 0.4

Diameter partikel 3.625*10^-4 m

Temperatur yang digunakan sekitar 500 - 750 Celcius, diambil sebagai sampel nilai 973. Laju alir reaktan yaitu methane, karbondioksida, dan argon dialirkan ke shell sebagai inlet dengan besar tertentu. Gambar IV.3 menunjukkan bahwa pembentukan produk dimulai dari panjang reaktor lebih dari 0.0002 meter. Laju molar karbonmonoksida lebih tinggi dibandingkan dengan hidrogen karena pada reaksi kedua yaitu water gas shift, hidrogen berfungsi sebagai reaktan. Laju molar H2O memiliki nilai yang jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan hidrogen dan karbondioksida.

Laju molar reaktan yaitu methane dan karbondioksida menurun sepanjang reaktor sedangkan sebaliknya untuk produk, hidrogen dan karbonmonoksida meningkat. H2O yang dihasilkan sangat kecil. Perbandingan methan dan hidrogen adalah sekitar 18.11% dengan besar konversi untuk metana di ujung panjang reaktor 75.017%. Konversi metana dan karbondioksida ditunjukkan pada gambar IV.4. Karakteristik tekanan parsial untuk masing-masing komponen mengikuti karakteristik laju molarnya yang dapat dilihat pada gambar IV.5. Beda tekanan total tidak begitu siginifikan sehingga pengaruhnya sepanjang reaktor dapat diabaikan.

(4)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6x 10 -5 z, dimensionless la ju a lir m o la r , m o le /s e c CH4 CO2 CO H2 H2O

Gambar IV.3 Laju alir molar untuk Model Fixed-Bed

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 z, dimensonless % ko nv e r si _CH4 CO2

(5)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 z, dimensionless te ka na n pa r si a l, a tm CH4 CO2 CO H2 H2O

Gambar IV.5 Karakteristik tekanan partial masing-masing komponen

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.0783 1.0783 1.0783 1.0783 1.0783 1.0783 1.0783 1.0783 1.0783 1.0783x 10 5 z, dimensionless be d a t e ka na n, Pa

(6)

IV.3 Model Reaktor Membran Porous Vycor

Kondisi awal reaktor membran sama dengan reaktor fixedbed, perbedaannya hanya pada penambahan propertis membran dengan spesifikasi tertulis pada tabel IV.2. Luas shell nya juga dibuat sama dengan fixbed. Shell berisi berkatalis sedangkan tube nya berisi purge gas. Perbedaan signifikan dari reaktor membran dan fixbed adalah adanya proses difusi melalui membran. Difusi ini didefinisikan dengan persamaan difusivitas Knudsen. Laju alir molar yang melalui membran mengurangi besar laju alir total di shell. Difusi melalui membran terjadi oleh adanya gaya doronng berupa beda tekanan partial pada masing-masing komponen. Beda tekanan partial ini yang menyebabkan berpindahnya molekul dari tekanan tinggi ke tekanan rendah baik dari shell ke tube. Abilitas membran untuk menseparasi ditentukan oleh dua parameter yaitu selektivitas hidrogen dan permeabilitas membrannya. Banyaknya produktifitas hidrogen dapat ditentukan dengan banyaknya metana yang terkonversi. Sedangkan difusivitas membran ditentukan oleh permeabilitasnya. Pada poros vycor, semua komponen dapat melewati membran dengan variasi laju molar.

Tabel IV.2 Variabel model reaktor Porous Vycor

temperatur 973 K

Radius shell 7 m

Radius tube 5 m

Laju alir vol. (shell) methane 45 cm^3 min^-1

Laju alir vol. (shell) carbondioxide 45 cm^3 min^-1

particle diameter 3.625*10^-4 m Propertis membran pore radius 40*10^-9 m porosity 0.5 tortuosity 3 tebal 10^-3 m

(7)

Bagan laju molar pada porous vycor di shell ditunjukkan pada gambar IV.6. Laju molar untuk karbonmonoksida dan hirogen lebih rendah bila dibandingkan dengan fixbed karena adanya sebagian produk yang masuk ke tube. Sedangkan pada reaktan, laju molar metana dan karbondioksida lebih landai ke bawah sehingga konversi yang dihasilkan dibandingkan dengan reaktor tanpa membran lebih besar yaitu sekitar 79.464%.

Sebagian reaktan dan produk selain hidrogen pada gambar IV.7 ada yang masuk ke tube melewati membran sehingga diperoleh kemurnian hidrogen yang terkontaminasi. Proses separasi ini menyebabkan penamban laju molar produk, hidrogen dan karbondioksida. Penjumlahan laju molar di shell dan tube adalah ditunjukkan pada gambar IV.8. Beda tekanan total di tube dan shell juga tidak begitu significant sehingga pengaruhnya juga dapat diabaikan. Karakteristik tekanan partial masing-masing komponen cenderung menyerupai karakteristik laju molar nya karena laju molar merupakan fungsi dari tekanan partial dan begitupun di tube.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2x 10 -5 z, dimensionless la ju a lir m o la r , m o le /se c CH4 CO2 CO H2 H2O

(8)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5x 10 -9 z, dimensionless la ju a lir m o la r , m o le /se c CH4 CO2 CO H2 H2O

Gambar IV.8 Laju alir molar porous vycor di tube

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2x 10 -5 z, dimensionless la ju a lir m o la r , m o le /se c H2

(9)

IV.4 Model Reaktor Membran Nanosil

Model nanosil memiliki propertis membran yang sama dengan porous vycor. Hanya saja, separasi untuk nanosil hanya melewatkan produk hidrogen saja sehinga kemurniannya tidak terkontaminasi oleh reaktan dan produk lainnya. Penekanan sekecil mungkin laju molar reaktan dan produk lainnya selain hidrogen untuk masuk ke tube dilakukan dengan cara menset efektif permeability dari membran sekecil mungkin. Adapun laju molar lainnya yang lewat dianggap sangat kecil sekali nilainya.. Konversi methane yang dihasilkan jauh lebih besar porous vycor yaitu 86.351%. Spesifikasi dalam reaktor membran nanosil ditunjukkan pada tabel IV.3.

Besar laju molar reaktan untuk nanosil jauh lebih landai dibandingkan dengan kedua reaktor sebelumnya sehingga konversinya jauh lebih tinggi. Pada tube, laju molar hidrogen lebih tinggi dibandingkan pada porous vycor. Banyaknya aliran hidrogen yang masuk ke tube disebabkan oleh besarnya konversi methane.

Tabel IV.3 Variabel reaktor membran Nanosil

temperatur 973 K

Radius shell 7 m

Radius tube 5 m

Laju alir vol. (shell) methane 45 cm^3 min^-1

Laju alir vol. (shell) carbondioxide 45 cm^3 min^-1

particle diameter 3.625*10^-4 m Propertis membran pore radius 40*10^-10 m porosity 0.5 tortuosity 3 Tebal membran 10^-3 m

(10)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4x 10 -5 z, dimensionles la ju a li r m o la r , m o le /s e c CH4 CO2 CO H2 H2O

Gambar IV.10 Laju alir molar di shell

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1 2 3 4 5 6x 10 -10 z, dimensionless la ju a lir m o la r , m o le /s e c H2

(11)

IV.5 Pengaruh Temperatur dan Laju Molar Inlet Terhadap Konversi Metana

Korelasi konversi terhadap temperatur berbanding lurus. Semakin besar temperatur, semakin besar konversinya. Sedangkan pada laju molar, sebaliknya. Semakin besar laju molar maka konversinya semakin kecil. Hal ini terjadi karena waktu tinggal yang dibutuhkan semakin kecil sehingga konversinya makin menurun.

Selain perbandingan temperatur dan laju molar, konversi yang diperoleh oleh ketiga reaktor ini akan dibandingkan dengan konversi kesetimbangannya. Pada tabel IV.5, ketiga jenis reaktor menunjukkan besar konversi untuk variasi pada temperatur dengan besar nilai awal laju alir volumetrik konstan pada tabel IV.4.

Pada nanosil, konversi yang dimiliki lebih besar karena pada saat aliran hidrogen masuk ke tube, hidrogen tidak dapat bereaksi lagi sehingga laju reaksi di shell lebih besar ke arah pembentukan hidrogen dibandingkan ke metanisasi. Sedangkan pada porous vycor, ada sebagain reaktan dan produk yang masuk ke tube selain hidrogen sehingga sedikit mengurangi laju reaksi ke arah produk sehingga konversinya dibawah nanosil. Reaktan dan produk yang telah masuk tube tidak dapat lagi bereaksi menjadi produk hidrogen di shell. Sedangkan pada fixedbed, konversinya lebih kecil karena produk yang terbentuk dapat saja membentuk reaktan kembali sehingga nilai konversinya tidak dapat melebihi konversi kesetimbangan.

Tabel IV.4 Nilai awal laju alir volumetrik di shell dan tube Laju alir vol. (shell) metana 45 cm^3 min^-1

Laju alir vol. (shell) karbondioksida 45 cm^3 min^-1

Laju alir vol. (shell) argon 65.5 cm^3 min^-1

(12)

Tabel IV.5 Pengaruh temperatur terhadap konversi metana

konversi metana

temperatur fixedbed porousvycor nanosil kesetimbangan

773 16.29 19.188 21.676 17.5 823 28.539 36.563 38.524 29.8 848 37.362 45.716 47.841 37.5 873 46.202 54.533 57.268 45.7 898 54.852 62.618 66.27 54.2 923 62.799 69.602 74.323 62.5 948 69.601 75.242 81.061 70 973 74.984 79.375 86.205 76.6

Hasil yang diperoleh adalah bahwa reaktor nanosil memiliki konversi yang jauh di atas kedua reaktor lainnya pada gambar IV.12. Pada keadaan setimbang, konversi metana dapat dilihat pada gambar IV.11. Setiap nilai konversi pada kedua reaktor membran melewati batas konversi kesetimbangannya.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 750 800 850 900 950 1000 1050 tem peratur % ko n ver si

(13)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 773 823 848 873 898 923 948 973 temperatur, K % ko n v er si fixedbed porous vycor nanosil kesetimbangan

Gambar IV.13 Konversi terhadap variasi temperatur

Pada variasi laju molar dengan temperatur 973 K, ditemukan bahwa adanya penurunan konversi ketiga reaktor. Fixedbed memiliki gradien konversi yang lebih besar penurunnya dibanding dengan kedua reaktor membran terhadap variasi laju molar inlet reaktan. Tetapi konversi nanosil terlihat lebih landai dan terletak di atas dari kedua reaktor lainnya yang ditunjukkan oleh gambar IV.13.

60 65 70 75 80 85 90 95 10 15 30 45 60 75 90 105 laju alir volumetrik, cm^3 min^-1

% ko n v er si fixedbed porous vycor nanosil

(14)

Tabel IV.6 Pengaruh laju alir volumetrik terhadap konversi

konversi metana

Laju alir vol. metana

Cm^3/min fixedbed porousvycor nanosil

10 80.201 83.116 91.975 15 79.033 82.459 90.257 30 76.5 80.521 89.028 45 74.984 79.375 86.205 60 73.764 78.772 85.7 75 72.437 78.177 85.235 90 70.936 77.543 84.808 105 69.255 76.795 84.336