PENDAHULUAN
Latar Belakang
Rumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Batasan Masalah
Sistematika Penulisan
TINJAUAN PUSTAKA
Dekomposisi Katalitik Metana
Dekomposisi diartikan sebagai salah satu reaksi kimia yang melarutkan atau memutus ikatan rantai suatu senyawa menjadi unsur atau senyawa yang lebih sederhana (Grujicic, 2002). Reaksi ini memecah ikatan H-C metana menjadi komponen yang lebih sederhana yaitu hidrogen dan karbon yaitu (Grujicic. Reaksi diatas awalnya digunakan untuk produksi hidrogen sebagai energi bahan bakar alternatif yaitu sel bahan bakar yang akan menggantikan energi dari bahan bahan bakar fosil. Setelah ditemukannya bentuk bahan karbon lain selain grafit dan berlian diperkirakan terbentuk dari reaksi ini mempercepat perkembangan penelitian dekomposisi metana.
Analisis termodinamika reaksi penguraian metana menyatakan bahwa nilai energi bebas Gibbs dan energi penguraian metana pada suhu 198 K masing-masing sebesar 50,8 kJ/mol dan 75 kJ/mol (Song L, 2005). Proses yang dilakukan pada suhu rendah akan lebih menguntungkan jika dibandingkan dengan proses suhu tinggi.
Kondisi Operasi Dekomposisi Metana
- Temperatur Operasi
- Tekanan Operasi
Hal ini akan mempengaruhi konversi yang akan meningkat seiring dengan meningkatnya suhu reaksi sehingga reaksi ini harus dilakukan pada suhu yang sangat tinggi. Hasil pengujian produk membuktikan bahwa CNT hanya akan terbentuk pada suhu yang lebih tinggi dibandingkan suhu pembentukan nanofiber karbon pada umumnya. Karbon yang terbentuk pada suhu yang lebih tinggi juga akan mempunyai bentuk yang lebih teratur dengan ketebalan yang seragam (Resketenko, 2003), namun peningkatan suhu juga akan menyebabkan diameter dan ketebalan dinding nanotube yang terbentuk menjadi lebih besar dan kecil (Sinnots, 1999), sementara diharapkan menjadi tabung nano karbon berdinding tebal.
Suhu optimum untuk reaksi dekomposisi metana untuk membentuk produk CNT diperkirakan antara 650–750 oC. Hal ini dikarenakan reaksi penguraian metana merupakan reaksi endotermik dimana peningkatan tekanan justru akan menggeser kesetimbangan reaksi ke kiri (meningkatkan reaktan).
Reaktor
- Reaktor Unggun Tetap (Fixed Bed Reactor)
- Spouted bed Reactor
- Fluidized Bed Reactor
- Reaktor Katalis Terstruktur
Muradov menggunakan reaktor spoutbed dengan mengalirkan metana dari dasar reaktor dengan kecepatan tinggi, sehingga menciptakan zona semprotan di tengah reaktor (Muradov, 2001). Namun penentuan tersebut masih menghasilkan pencampuran katalis yang tidak merata (homogen), sehingga konversi metana yang dihasilkan sangat kecil yaitu 7%, hal ini disebabkan karena pendeknya kontak antara metana dengan katalis. FBR cocok untuk reaksi kontinyu dan mampu mengikis partikel karbon dari reaktor sehingga mencegah endapan karbon, namun konversi metana masih rendah <40% karena waktu tinggal reaktan yang singkat, sehingga hidrogen yang diperoleh tidak murni ( Muradov, 2001).
Muharam dan Widodo, 2007 melakukan penelitian dengan menggunakan reaktor katalitik terstruktur (wire mesh) skala kecil (diameter 1 cm) untuk reaksi dekomposisi metana seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3. Kualitas CNT yang dihasilkan dengan metode ini cukup baik, dengan diameter 30-50 nm dan ketebalan dinding 10-20 nm (Gambar 2.4) dan kemurnian hidrogen melebihi 99%.
Katalis Terstruktur Pelat
Penelitian penggunaan reaktor kasa untuk dekomposisi katalitik metana pertama kali dilakukan oleh Muharam dan Purwanto pada tahun 2007 untuk mengatasi permasalahan di atas, khususnya masalah penurunan tekanan. Untuk memperbaiki kekurangan katalis berstruktur jaring kawat (kain kasa), digunakan katalis berstruktur berbentuk pelat dari jenis katalis monolitik. Pada dinding katalis monolit dapat disisipkan lapisan aktif sebagai tempat terjadinya reaksi kimia.
Penerapan katalis monolitik yang terkenal adalah katalis tiga arah yang digunakan pada kendaraan bermotor. Informasi di atas menunjukkan bahwa katalis ini memungkinkan pengendalian selektivitas reaksi kompleks, memiliki hambatan difusi internal yang kecil dan memiliki penurunan tekanan 2-3 kali lebih kecil dibandingkan dengan reaktor unggun tetap.
Neraca Massa, Energi dan Momentum
- Neraca Massa
- Neraca Energi
- Neraca Momentum
Reaktor monolit ini dapat ditempatkan langsung di knalpot kendaraan tanpa mengubah performa mesin kendaraan. Seperti halnya neraca massa, neraca energi merupakan penerapan hukum kekekalan energi yang menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Menurut Himmelblau, ada enam jenis energi, yaitu (1) usaha (usaha) merupakan suatu bentuk yang menunjukkan gerak antara sistem dan lingkungannya.
Berbeda dengan energi, momentum ditentukan oleh persamaan yang lebih sederhana, yaitu massa dan kecepatan (p=mv). Persamaan keseimbangan momentum memberikan gambaran tentang apa yang terjadi pada suatu sistem melalui pola alirannya.
Computational Fluid Dynamics (CFD)
Metode Elemen Hingga
METODOLOGI PENELITIAN
Diagram Penelitian
Prosedur Penelitian
PEMODELAN DAN SIMULASI
Penyusunan Model Matematis
- Neraca Energi
- Skala Reaktor
- Skala Katalis
- Neraca Energi pada Lapisan Batas
- Neraca Massa
- Neraca Momentum
- Kondisi Batas Skala Reaktor
- Parameter Proses
Pengaruh tambahan transformasi energi kinetik menjadi energi panas dalam sistem dianggap terlalu kecil untuk diabaikan dan tidak terjadi pembangkitan panas. Termasuk tidak adanya konveksi pada skala katalis, aliran keadaan tunak, dampak tambahan transformasi energi kinetik menjadi energi panas dalam sistem dianggap sangat kecil dan tidak ada pembangkitan energi pada padatan katalis, keseimbangan energi praktis dari katalis skala yang menjadi persamaannya. Keseimbangan energi pada lapisan batas mewakili transfer energi antar skala. laju reaktor juga dipengaruhi oleh perubahan profil laju katalis.
Laju katalis juga didasarkan pada persamaan (2.2), dimana menerapkan aliran keadaan tunak, tanpa difusi cairan dalam katalis dan tanpa konveksi, persamaannya menjadi :. Pada dinding reaktor tidak ada massa yang keluar sehingga tidak terjadi gradien konsentrasi, sedangkan untuk keseimbangan energi suhu dinding diatur pada suhu tertentu (akibat tungku) dan untuk keseimbangan momentum tidak terjadi aliran. atau di luar dinding, maka persamaan yang berlaku untuk r = R adalah Untuk bagian bawah reaktor tidak ada massa atau energi yang keluar sehingga tidak ada gradien konsentrasi dan temperatur, sedangkan untuk keseimbangan momentum, tekanan akhir diasumsikan hampir sama sebagai tekanan awal.
Langkah-langkah Pengerjaan dalam COMSOL Multiphysics
- Model Pertama
- Pembuatan Geometri
- Pemasukan Model
- Model Kedua
- Pembuatan Geometri
- Pemasukan Model
Untuk persamaan pendukung lainnya, seperti penurunan tekanan, variabelnya terdapat pada ekspresi skalar pada Tabel 4.12. Setelah melengkapi tabel data dengan ekspresi konstanta dan skalar, langkah selanjutnya adalah mengatur sifat fisik fluida yang dimasukkan dalam ekspresi konstanta dan skalar pada pengaturan subdomain, seperti terlihat pada Tabel 4.14. Selain pengaturan subdomain pada neraca massa, peneliti juga memasukkan pengaturan subdomain pada neraca energi, seperti terlihat pada Tabel 4.15.
Setelah memasukkan ekspresi konstanta dan skalar, peneliti memasukkan data fisik ke dalam subdomain, seperti pada Tabel 4.22 dan 4.23.
Verifikasi Model dan Geometri
HASIL SIMULASI
Model Pertama
- Pengaruh Tekanan terhadap Konversi
- Pengaruh Temperatur Dinding terhadap Konversi
- Pengaruh Laju Alir Volumetrik terhadap Konversi
- Pengaruh Fraksi Mol Masukan terhadap Konversi
Untuk melengkapi analisis, juga digambarkan grafik dengan arah sejajar pelat (sumbu x) seperti pada Gambar 5.4. Untuk mengevaluasinya lebih detail, dibuat grafik antara konsentrasi hidrogen berdasarkan posisi ketinggian reaktor (z) yang dapat dilihat pada Gambar 5.6. Sama seperti metana, Gambar 5.7 juga menunjukkan bahwa bagian tengah reaktor mempunyai konsentrasi hidrogen yang paling tinggi, hal ini menunjukkan bahwa konversi tertinggi terdapat pada bagian tengah reaktor.
Setelah mengamati perubahan konsentrasi metana dan hidrogen, Anda dapat membuat grafik selektivitas dengan membagi mol hidrogen dengan mol metana, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.9. Variabel lain yang dapat dievaluasi adalah perubahan suhu yang disebabkan oleh pemanasan yang dilakukan oleh tungku dan konsumsi energi yang disebabkan oleh reaksi endotermik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.10. Untuk penilaian suhu secara mendalam, dibuat grafik suhu di sepanjang reaktor pada titik-titik tertentu, seperti terlihat pada Gambar 5.11.
Gambar 5.11 menunjukkan grafik dengan gradien positif yang berarti suhu reaktor meningkat akibat pemanasan tungku. Gambar 5.12 menunjukkan bahwa semakin dekat posisi reaktor dengan jari-jari reaktor, semakin cepat suhu masuk mendekati suhu dinding. Gambar 5.15 menunjukkan bahwa pada tekanan 1 atm (tekanan standar) terkonversi sebesar 34,05%, pada tekanan 2 atm metana terkonversi sebesar 40,72% dan pada tekanan 5 atm terbentuk metana. konversi sebesar 35,96%.
Selain itu, grafik kinetika reaksi Snoeck pada Gambar 5.16 menunjukkan bahwa laju reaksi awal akan meningkat seiring dengan besarnya tekanan parsial metana, namun lambat laun menurun yang dipengaruhi oleh tekanan parsial hidrogen. Grafik pada Gambar 5.14 menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu operasi, semakin besar pula jumlah metana yang terkonversi. Grafik pada Gambar 5.18 menunjukkan bahwa semakin tinggi volume udara maka konversi metana semakin rendah.
Model Kedua
- Pengaruh Laju Alir Volumetrik terhadap Konversi
- Pengaruh Fraksi Mol Masukan terhadap Konversi
Pada Gambar 5.24 terlihat bahwa kecepatan fluida paling besar berada pada bagian tengah, sedangkan pada bagian tepinya hampir mendekati nol karena adanya gradien kecepatan. Pada Gambar 5.26 terlihat kecepatan tidak stabil, hal ini disebabkan oleh ketidakakuratan solusi yang disebabkan oleh dua hal yaitu meshing level dan kriteria konvergensi. Sedangkan grafik konsentrasi metana terhadap jari-jari reaktor sejajar pelat ditunjukkan pada Gambar 5.30.
Pada Gambar 5.31 terlihat perbedaan konsentrasi antar pelat, dimana bagian yang lebih dekat dengan pelat mempunyai konsentrasi yang lebih rendah. Selain konsentrasi metana, hidrogen juga dapat diperkirakan berdasarkan panjang reaktor pada setiap penampang melintang, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.32. Walaupun plot hidrogen memanjang menunjukkan ketidaksesuaian, namun plot konsentrasi hidrogen radial tegak lurus reaktor dan sejajar reaktor menunjukkan hasil yang cukup baik, seperti terlihat pada Gambar 5.33.
Kedua gambar ini menunjukkan perilaku yang sama dengan grafik penurunan konsentrasi metana, dimana bagian tengah lempeng (Gambar 5.33) dan lebih dekat ke lempeng (Gambar 5.34) memiliki konversi yang lebih tinggi.
KESIMPULAN
Kesimpulan
Semakin tinggi tekanan total akan meningkatkan konversi pada awal reaktor, namun seiring bertambahnya hidrogen maka laju reaksi akan menurun. Pada model pertama, peningkatan tekanan menjadi 2 atm akan meningkatkan konversi menjadi 40,72%, sedangkan peningkatan tekanan menjadi 5 atm hanya akan meningkatkan konversi menjadi 35,96%. Pada model kedua, peningkatan tekanan menjadi 2 atm memberikan konversi sebesar 64,09% dan peningkatan tekanan sebesar 5 atm memberikan konversi sebesar 50,91%.
Semakin tinggi suhu dinding, semakin besar konversinya, karena dekomposisi katalitik metana merupakan reaksi endotermik. Pada model pertama, konversi akan turun menjadi 25,5% ketika suhu dinding diturunkan menjadi 923 K, sedangkan ketika suhu dinding dinaikkan menjadi 1023 K konversinya meningkat menjadi 42,97%. Kehadiran hidrogen dalam umpan akan mengganggu konversi metana karena hidrogen merupakan gas inert yang kehadirannya akan mencegah metana bereaksi dengan inti katalis.
Pada model pertama, keberadaan hidrogen dengan komposisi metana:hidrogen 0,25:0,75 akan menghasilkan konversi sebesar 21,60%, sedangkan dengan komposisi metana:hidrogen 0,5:0,5 menghasilkan konversi sebesar 32,85%. Pada model kedua, komposisi metana:hidrogen 0,25:0,75 akan menghasilkan konversi sebesar 39,46%, komposisi metana:hidrogen 0,5:0,5 akan menghasilkan konversi sebesar 55,75%. Semakin tinggi laju aliran volumetrik akan menurunkan konversi karena semakin pendek waktu kontak dengan inti katalis.
Pada model pertama, penurunan laju aliran menjadi 30 liter akan menghasilkan konversi sebesar 36,02%, sedangkan peningkatan laju aliran menjadi 100 liter akan menghasilkan konversi sebesar 26,39. Pada model kedua, debit aliran 30 liter memberikan konversi sebesar 61,68% dan 100 liter menghasilkan konversi sebesar 56,68%.
Saran
A parametric study of the large-scale production of multi-walled carbon nanotubes by fluidized bed catalytic chemical vapor deposition. The basis of Ni-Cu is the dismantling of hydrogen and nanocarbon. Production of hydrogen and carbon nanotubes from methane degradation in a two-stage fluidized bed reactor.
Desain reaktor katalis terstruktur untuk produksi tabung nano karbon dan hidrogen melalui proses dekomposisi katalitik metana.
