Bab IV IV.1
Hasil dan Pembahasan
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. 0 Δ H 298 = 247 kj mol − 1
CH 4 + CO 2 → 2 CO + 2 H 2
H 2 + CO2 ⇔ CO + H 2 O
0 ΔH 298 = 41kj mol −1
Gambar IV.1 Skema Membrane Reactor
27
...(IV.1) ...(IV.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.
28
Tabel IV.1 Variabel model Fixedbed temperatur 973 Tekanan total (shell) 107835 Tekanan total (tube) 107830 Radius shell 4.9 Laju alir vol. (shell) methane 45 Laju alir vol. (shell) carbondioxide 45 Laju alir vol. (shell) argon 65.5 Laju alir vol. (tube) argon 65.5 Panjang reaktor 0.04 Katalis Rh/Al2O3 catalyst bed void 0.4 Diameter partikel 3.625*10^-4
K Pa Pa m cm^3 min^-1 cm^3 min^-1 cm^3 min^-1 cm^3 min^-1 m
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.
29
x 10
1.6
-5
laju alir molar, mole/sec
1.4 1.2 1
CH4 CO2 CO H2 H2O
0.8 0.6 0.4 0.2 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
z, dimensionless
Gambar IV.3 Laju alir molar untuk Model Fixed-Bed 90 80 70
% konversi
60 CH4 CO2
50 40 30 20 10 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
z, dimensonless
Gambar IV.4 Konversi metana dan kardondioksida
30
0.35
tekanan parsial, atm
0.3 0.25 CH4 CO2 CO H2 H2O
0.2 0.15 0.1 0.05 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
z, dimensionless
Gambar IV.5 Karakteristik tekanan partial masing-masing komponen
1.0783
x 10
5
1.0783
beda tekanan, Pa
1.0783 1.0783 1.0783 1.0783 1.0783 1.0783 1.0783 1.0783
0
0.2
0.4
0.6
z, dimensionless
Gambar IV.6 Beda tekanan
31
0.8
1
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 Tekanan total (shell) 107835 Tekanan total (tube) 107830 Radius shell 7 Radius tube 5 Laju alir vol. (shell) methane 45 Laju alir vol. (shell) carbondioxide 45 Laju alir vol. (shell) argon 65.5 Laju alir vol. (tube) argon 65.5 Panjang reaktor 0.04 Katalis Rh/Al2O3 catalyst bed void 0.4 particle diameter 3.625*10^-4 Propertis membran pore radius 40*10^-9 porosity 0.5 tortuosity 3 tebal 10^-3
32
K Pa Pa m m cm^3 min^-1 cm^3 min^-1 cm^3 min^-1 cm^3 min^-1 m
m m
m
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 masingmasing komponen cenderung menyerupai karakteristik laju molar nya karena laju molar merupakan fungsi dari tekanan partial dan begitupun di tube. 1.2
x 10
-5
laju alir molar, mole/sec
1 0.8 CH4 CO2 CO H2 H2O
0.6 0.4 0.2 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
z, dimensionless
Gambar IV.7 Laju alir molar porous vycor di shell
33
1
4.5
x 10
-9
laju alir molar, mole/sec
4 3.5 3 2.5
CH4 CO2 CO H2 H2O
2 1.5 1 0.5 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
z, dimensionless
Gambar IV.8 Laju alir molar porous vycor di tube
1.2
x 10
-5
laju alir molar, mole/sec
1 0.8 H2 0.6 0.4 0.2 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
z, dimensionless
Gambar IV.9 Laju alir molar hidrogen di shell dan tube – porous vycor
34
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 Tekanan total (shell) 107835 Tekanan total (tube) 107830 Radius shell 7 Radius tube 5 Laju alir vol. (shell) methane 45 Laju alir vol. (shell) carbondioxide 45 Laju alir vol. (shell) argon 65.5 Laju alir vol. (tube) argon 65.5 Panjang reaktor 0.04 Katalis Rh/Al2O3 catalyst bed void 0.4 3.625*10^particle diameter 4 Propertis membran pore radius 40*10^-10 porosity 0.5 tortuosity 3 Tebal membran 10^-3
35
K Pa Pa m m cm^3 min^-1 cm^3 min^-1 cm^3 min^-1 cm^3 min^-1 m
m m
m
1.4
x 10
-5
1 0.8
CH4 CO2 CO H2 H2O
0.6 0.4 0.2 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
z, dimensionles
Gambar IV.10 Laju alir molar di shell
6
x 10
-10
5 laju alir molar, mole/sec
laju alir molar, mole/sec
1.2
4 H2 3 2 1 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
z, dimensionless
Gambar IV.11 Laju alir molar hidrogen di tube
36
1
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 Laju alir vol. (shell) karbondioksida Laju alir vol. (shell) argon Laju alir vol. (tube) argon
37
45 45 65.5 65.5
cm^3 min^-1 cm^3 min^-1 cm^3 min^-1 cm^3 min^-1
Tabel IV.5 Pengaruh temperatur terhadap konversi metana
temperatur 773 823 848 873 898 923 948 973
fixedbed 16.29 28.539 37.362 46.202 54.852 62.799 69.601 74.984
konversi metana porousvycor nanosil 19.188 21.676 36.563 38.524 45.716 47.841 54.533 57.268 62.618 66.27 69.602 74.323 75.242 81.061 79.375 86.205
kesetimbangan 17.5 29.8 37.5 45.7 54.2 62.5 70 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
% konversi
membran melewati batas konversi kesetimbangannya.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 750
800
850
900
950
1000
tem peratur
Gambar IV.12 Konversi kesetimbangan terhadap temperatur
38
1050
% konversi
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
fixedbed porous vycor nanosil kesetimbangan
773
823
848
873
898
923
948
973
temperatur, K
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.
95
% konversi
90 85 fixedbed
80
porous vycor 75
nanosil
70 65 60 10
15
30
45
60
75
90
105
laju alir volumetrik, cm^3 min^-1
Gambar IV.14 Konversi vs laju alir volumetrik metana
39
Tabel IV.6 Pengaruh laju alir volumetrik terhadap konversi
konversi metana Laju alir vol. metana Cm^3/min 10 15 30 45 60 75 90 105
fixedbed
porousvycor
nanosil
80.201 79.033 76.5 74.984 73.764 72.437 70.936 69.255
83.116 82.459 80.521 79.375 78.772 78.177 77.543 76.795
91.975 90.257 89.028 86.205 85.7 85.235 84.808 84.336
40
